از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

        طرح فیزیکی سیکل رانکین
        1. پمپ ، 2. دیگ بخار ، 3. توربین ، 4. کندانسور

        ترمودینامیک

        موتور حرارتی کلاسیک کارنو

        نشان می دهد

        شاخه ها

        نشان می دهد

        قوانین

        نشان می دهد

        سیستم های

        نشان می دهد

        خصوصیات سیستم

        نشان می دهد

        خواص مواد

        نشان می دهد

        معادلات

        نشان می دهد

        پتانسیل ها

        نشان می دهد
        • تاریخ
        • فرهنگ
        نشان می دهد

        دانشمندان

        نشان می دهد

        دیگر

        چرخه رانکین یک چرخه ترمودینامیکی ایده‌آل است که فرآیندی را توصیف می‌کند که طی آن موتورهای حرارتی خاص ، مانند توربین‌های بخار یا موتورهای بخار رفت و برگشتی، اجازه می‌دهند تا کار مکانیکی از یک سیال در حین حرکت بین منبع گرما و سینک حرارتی استخراج شود . چرخه رانکین به افتخار ویلیام جان مکورن رانکین ، استاد اسکاتلندی چند ریاضیات در دانشگاه گلاسکو نامگذاری شده است .

        انرژی گرمایی از طریق دیگ بخار به سیستم تامین می شود که در آن سیال کار (معمولا آب) به حالت گازی با فشار بالا (بخار) تبدیل می شود تا یک توربین را بچرخاند . پس از عبور سیال از روی توربین، اجازه داده می شود تا دوباره به حالت مایع متراکم شود، زیرا انرژی گرمایی هدر رفته قبل از بازگشت به دیگ بخار دفع می شود و این چرخه کامل می شود. تلفات اصطکاک در سراسر سیستم اغلب به منظور ساده کردن محاسبات نادیده گرفته می شود، زیرا این تلفات معمولاً بسیار کمتر از تلفات ترمودینامیکی هستند، به خصوص در سیستم های بزرگتر.

        توضیحات [ ویرایش ]

        چرخه رانکین به طور دقیق فرآیندی را توصیف می‌کند که در آن موتورهای بخار که معمولاً در نیروگاه‌های تولید برق حرارتی یافت می‌شوند ، انرژی حرارتی یک سوخت یا سایر منابع گرمایی را برای تولید برق مهار می‌کنند. منابع حرارتی احتمالی عبارتند از احتراق سوخت های فسیلی مانند زغال سنگ ، گاز طبیعی و نفت ، استفاده از منابع استخراج شده برای شکافت هسته ای ، سوخت های تجدیدپذیر مانند زیست توده و اتانول ، و جذب انرژی از منابع طبیعی مانند انرژی متمرکز خورشیدی و انرژی زمین گرمایی . هیت سینک های معمولی شامل هوای محیط در بالا یا اطراف یک تاسیسات و بدنه های آبی مانند رودخانه ها، برکه ها و اقیانوس ها است.

        توانایی موتور رانکین برای مهار انرژی به اختلاف دمای نسبی بین منبع گرما و هیت سینک بستگی دارد. هرچه این دیفرانسیل بیشتر باشد، طبق قضیه کارنو ، توان مکانیکی بیشتری را می توان به طور موثر از انرژی گرمایی استخراج کرد .

        راندمان چرخه رانکین توسط گرمای زیاد تبخیر سیال عامل محدود می شود. مگر اینکه فشار و دما در دیگ به سطوح فوق بحرانی برسد، محدوده دمایی که سیکل می تواند در آن کار کند بسیار کوچک است. از سال 2022، اکثر نیروگاه های فوق بحرانی فشار ورودی بخار 24.1 مگاپاسکال و دمای ورودی بین 538 درجه سانتی گراد تا 566 درجه سانتی گراد را اتخاذ کردند که منجر به راندمان نیروگاه 40٪ می شود. با این حال، اگر فشار بیشتر به 31 مگاپاسکال افزایش یابد، نیروگاه به عنوان فوق بحرانی شناخته می شود و می توان دمای ورودی بخار را تا 600 درجه سانتیگراد افزایش داد، بنابراین بازده حرارتی 42٪ را به دست آورد. [1] این دمای پایین ورودی توربین بخار (در مقایسه با یک توربین گاز ) به همین دلیل است که چرخه رانکین (بخار) اغلب به عنوان چرخه ته‌نشینی [ شفاف‌سازی مورد نیاز ] برای بازیابی گرمای دفع شده در نیروگاه‌های توربین گازی سیکل ترکیبی استفاده می‌شود. ایده این است که محصولات احتراق بسیار داغ ابتدا در یک توربین گاز منبسط می شوند و سپس گازهای خروجی که هنوز نسبتاً داغ هستند، به عنوان منبع گرمایی برای چرخه رانکین استفاده می شوند، بنابراین اختلاف دمای بین منبع گرما و حرارت کاهش می یابد. سیال عامل و در نتیجه کاهش مقدار آنتروپی ایجاد شده توسط برگشت ناپذیری.

        موتورهای رانکین معمولاً در یک حلقه بسته کار می کنند که در آن سیال کار مجدداً استفاده می شود. بخار آب همراه با قطرات متراکم که اغلب از نیروگاه‌ها می‌وزند، توسط سیستم‌های خنک‌کننده ایجاد می‌شوند (نه مستقیماً از چرخه قدرت رانکین حلقه بسته). این گرمای "اگزوز" با "Q out " نشان داده شده است که از سمت پایین چرخه در نمودار T-s زیر جریان دارد. برج های خنک کننده با جذب گرمای نهان تبخیر سیال عامل و تبخیر همزمان آب خنک کننده به اتمسفر به عنوان مبدل های حرارتی بزرگ عمل می کنند.

        در حالی که بسیاری از مواد را می توان به عنوان سیال عامل استفاده کرد، آب معمولاً به دلیل شیمی ساده، فراوانی نسبی، هزینه کم و خواص ترمودینامیکی آن انتخاب می شود . با متراکم کردن بخار بخار کار به یک مایع، فشار در خروجی توربین کاهش می یابد و انرژی مورد نیاز پمپ تغذیه تنها 1٪ تا 3٪ از توان خروجی توربین را مصرف می کند. این عوامل به بازده بالاتر برای چرخه کمک می کنند. مزیت این امر با دمای پایین بخار ورودی به توربین(ها) جبران می شود. به عنوان مثال، توربین های گازی دارای دمای ورودی توربین نزدیک به 1500 درجه سانتیگراد هستند. با این حال، راندمان حرارتی نیروگاه های بزرگ بخار واقعی و ایستگاه های بزرگ توربین گاز مدرن مشابه است.

        چهار فرآیند در چرخه رانکین [ ویرایش ]

        نمودار T از یک سیکل رانکین معمولی که بین فشارهای 0.06 بار و 50 بار کار می کند. سمت چپ منحنی زنگی شکل مایع، سمت راست آن گاز و در زیر آن تعادل مایع-بخار اشباع قرار دارد.

        چهار فرآیند در چرخه رانکین وجود دارد. حالت ها با اعداد (به رنگ قهوه ای) در نمودار T مشخص می شوند .

        فرآیندهای متوالی چرخه رانکین
        نامخلاصهتوضیح
        فرآیند 1-2فشرده سازی ایزنتروپیکسیال کار از فشار کم به بالا پمپ می شود. از آنجایی که سیال در این مرحله مایع است، پمپ به انرژی ورودی کمی نیاز دارد.
        فرآیند 2-3افزودن حرارت با فشار ثابت در دیگ بخارمایع پرفشار وارد دیگ بخار می شود و در آنجا با فشار ثابت توسط یک منبع حرارتی خارجی گرم می شود تا به بخار اشباع خشک تبدیل شود. انرژی ورودی مورد نیاز را می توان به راحتی به صورت گرافیکی، با استفاده از نمودار آنتالپی-آنتروپی ( نمودار h-s ، یا نمودار مولیه )، یا عددی، با استفاده از جداول بخار یا نرم افزار محاسبه کرد.
        فرآیند 3-4گسترش ایزنتروپیکبخار اشباع خشک از طریق یک توربین منبسط می شود و نیرو تولید می کند. این باعث کاهش دما و فشار بخار می شود و ممکن است مقداری تراکم ایجاد شود. خروجی در این فرآیند را می توان به راحتی با استفاده از نمودار یا جداول ذکر شده در بالا محاسبه کرد.
        فرآیند 4-1دفع حرارت با فشار ثابت در کندانسوربخار مرطوب سپس وارد کندانسور می شود و در آنجا با فشار ثابت متراکم می شود تا به مایع اشباع تبدیل شود .

        در یک چرخه رانکین ایده آل، پمپ و توربین ایزنتروپیک خواهند بود: به عنوان مثال، پمپ و توربین آنتروپی تولید نمی کنند و در نتیجه خروجی کار خالص را به حداکثر می رساند. فرآیندهای 1-2 و 3-4 با خطوط عمودی در نمودار T نشان داده می شوند و بیشتر شبیه چرخه کارنو هستند . چرخه رانکین نشان داده شده در اینجا از پایان یافتن حالت سیال عامل در ناحیه بخار فوق گرم پس از انبساط در توربین جلوگیری می کند، [1] که انرژی حذف شده توسط کندانسورها را کاهش می دهد.

        چرخه واقعی قدرت بخار با چرخه ایده آل رانکین به دلیل برگشت ناپذیری در اجزای ذاتی ناشی از اصطکاک سیال و از دست دادن گرما به محیط اطراف متفاوت است. اصطکاک سیال باعث افت فشار در دیگ، کندانسور و لوله کشی بین اجزا می شود و در نتیجه بخار با فشار کمتری از دیگ خارج می شود. تلفات حرارتی خروجی خالص کار را کاهش می دهد، بنابراین برای حفظ همان سطح خروجی کار خالص، افزودن گرما به بخار در دیگ لازم است.

        متغیرها [ ویرایش ]

        ˙{\displaystyle {\dot {Q}}}نرخ جریان گرما به یا از سیستم (انرژی در واحد زمان)
        {\displaystyle {\dot {m}}}دبی جرمی (جریان در واحد زمان)
        {\displaystyle {\dot {W}}}توان مکانیکی مصرف شده یا ارائه شده به سیستم (انرژی در واحد زمان)
        {\displaystyle \eta _{\text{therm}}}راندمان ترمودینامیکی فرآیند (توان خروجی خالص در هر ورودی گرما، بدون بعد)
        {\displaystyle \eta _{\text{pump}},\eta _{\text{turb}}}راندمان ایزنتروپیک فرآیندهای فشرده سازی (پمپ تغذیه) و انبساط (توربین) بدون بعد
        {\displaystyle h_{1},h_{2},h_{3},h_{4}}" آنتالپی های خاص " در نقاط مشخص شده در نمودار T-s
        {\displaystyle h_{4s}}" آنتالپی ویژه " نهایی سیال در صورتی که توربین ایزنتروپیک باشد
        {\displaystyle p_{1},p_{2}}فشارهای قبل و بعد از فرآیند فشرده سازی

        معادلات [ ویرایش ]

        {\displaystyle \eta _{\text{therm}}}بازده ترمودینامیکی سیکل را به عنوان نسبت توان خالص خروجی به گرمای ورودی تعریف می کند . از آنجایی که کار مورد نیاز پمپ اغلب حدود 1% خروجی کار توربین است، می توان آن را ساده کرد:

        {\displaystyle \eta _{\text{therm}}={\frac {{\dot {W}}_{\text{turb}}-{\dot {W}}_{\text{pump}}} {{\dot {Q}}_{\text{in}}}}\approx {\frac {{\dot {W}}_{\text{turb}}}{{\dot {Q}}_{ \text{in}}}}}

        هر یک از چهار معادله بعدی [1] از موازنه انرژی و جرم برای حجم کنترل به دست می آید .

        {\displaystyle {\frac {{\dot {Q}}_{\text{in}}}{\dot {m}}}=h_{3}-h_{2},}

        {\displaystyle {\frac {{\dot {Q}}_{\text{out}}}{\dot {m}}}=h_{4}-h_{1},}

        {\displaystyle {\frac {{\dot {W}}_{\text{pump}}}{\dot {m}}}=h_{2}-h_{1},}

        {\displaystyle {\frac {{\dot {W}}_{\text{turbine}}}{\dot {m}}}=h_{3}-h_{4}.}

        هنگام برخورد با راندمان توربین ها و پمپ ها، باید شرایط کار را تنظیم کرد:

        {\displaystyle {\frac {{\dot {W}}_{\text{pump}}}{\dot {m}}}=h_{2}-h_{1}\approx {\frac {v_{1 }\Delta p}{\eta _{\text{pump}}}}={\frac {v_{1}(p_{2}-p_{1})}{\eta _{\text{pump}} }}،}

        {\displaystyle {\frac {{\dot {W}}_{\text{turbine}}}{\dot {m}}}=h_{3}-h_{4}\approx (h_{3}-h_ {4})\eta _{\text{توربین}}.}

        چرخه واقعی رانکین (غیر ایده آل) [ ویرایش ]

        چرخه رانکین با سوپرهیت

        در یک چرخه واقعی نیروگاه (از نام چرخه رانکین فقط برای سیکل ایده آل استفاده می شود)، فشرده سازی توسط پمپ و انبساط در توربین ایزنتروپیک نیست. به عبارت دیگر، این فرآیندها برگشت ناپذیر هستند و آنتروپی در طی دو فرآیند افزایش می یابد. این امر تا حدودی توان مورد نیاز پمپ را افزایش می دهد و توان تولید شده توسط توربین را کاهش می دهد. [2]

        به طور خاص، کارایی توربین بخار با تشکیل قطرات آب محدود خواهد شد. با متراکم شدن آب، قطرات آب با سرعت زیاد به پره های توربین برخورد می کند و باعث ایجاد حفره و فرسایش می شود و به تدریج عمر پره های توربین و کارایی توربین کاهش می یابد. ساده ترین راه برای غلبه بر این مشکل، گرم کردن بخار است. در نمودار T-s بالا، حالت 3 در مرز ناحیه دو فازی بخار و آب است، بنابراین پس از انبساط بخار بسیار مرطوب خواهد بود. با سوپرگرم کردن، حالت 3 در نمودار به سمت راست (و بالا) حرکت می کند و بنابراین پس از انبساط، بخار خشک تری تولید می کند.

        تغییرات چرخه پایه رانکین [ ویرایش ]

        راندمان کلی ترمودینامیکی را می توان با افزایش میانگین دمای ورودی گرما افزایش داد

        {\displaystyle {\bar {T}}_{\text{in}}={\frac {\int _{2}^{3}T\,dQ}{Q_{\text{in}}}}}

        از آن چرخه افزایش دمای بخار در ناحیه سوپرهیت یک راه ساده برای انجام این کار است. همچنین تغییراتی در چرخه پایه رانکین وجود دارد که برای افزایش بازده حرارتی چرخه به این روش طراحی شده است. دو مورد از این موارد در زیر توضیح داده شده است.

        چرخه رانکین با گرم کردن مجدد [ ویرایش ]

        چرخه رانکین با گرم کردن مجدد

        هدف از چرخه گرم کردن مجدد، حذف رطوبت حمل شده توسط بخار در مراحل پایانی فرآیند انبساط است. در این تغییر، دو توربین به صورت سری کار می کنند. اولی بخار را از دیگ بخار در فشار بالا می پذیرد. پس از عبور بخار از توربین اول، دوباره وارد دیگ بخار می شود و قبل از عبور از توربین دوم با فشار پایین، دوباره گرم می شود. دماهای گرم کردن مجدد بسیار نزدیک یا برابر با دمای ورودی است، در حالی که فشار گرم مجدد مورد نیاز تنها یک چهارم فشار اولیه دیگ است. از جمله مزایای دیگر این است که از متراکم شدن بخار در حین انبساط آن و در نتیجه کاهش آسیب در پره های توربین جلوگیری می کند و بازده سیکل را بهبود می بخشد، زیرا جریان گرمای بیشتری به سیکل در دمای بالاتر انجام می شود. چرخه گرم کردن مجدد برای اولین بار در دهه 1920 معرفی شد، اما به دلیل مشکلات فنی برای مدت طولانی عملیاتی نشد. در دهه 1940، با تولید روزافزون دیگهای بخار فشار قوی ، مجدداً معرفی شد و در نهایت در دهه 1950 گرم کردن مجدد مضاعف معرفی شد. ایده پشت گرم کردن مجدد دو برابر افزایش میانگین دما است. مشاهده شد که بیش از دو مرحله گرم کردن مجدد به طور کلی غیر ضروری است، زیرا مرحله بعدی راندمان چرخه را فقط نصف مرحله قبل افزایش می دهد. امروزه معمولاً در نیروگاه هایی که تحت فشار فوق بحرانی کار می کنند، از گرم کردن مجدد مضاعف استفاده می شود.

        چرخه رانکین احیا کننده [ ویرایش ]

        چرخه رانکین احیا کننده

        سیکل رانکین احیا کننده به این دلیل نامگذاری شده است که پس از خروج از کندانسور (احتمالاً به صورت مایع سرد شده ) سیال کار توسط بخاری که از قسمت داغ چرخه گرفته می شود گرم می شود. در نمودار نشان داده شده، سیال در 2 با سیال در 4 (هر دو در فشار یکسان) مخلوط می شود تا به مایع اشباع شده در 7 ختم شود. به این "گرمایش با تماس مستقیم" می گویند. چرخه Regenerative Rankine (با انواع جزئی) معمولاً در نیروگاه های واقعی استفاده می شود.

        یک تغییر دیگر، بخار خروجی را از بین مراحل توربین به بخاری‌های آب تغذیه می‌فرستد تا آب را از کندانسور به دیگ پیش گرم کند. این بخاری‌ها بخار ورودی و میعانات را با هم مخلوط نمی‌کنند، مانند یک مبدل حرارتی لوله‌ای معمولی عمل می‌کنند و «هیترهای آب تغذیه بسته» نامیده می‌شوند.

        بازسازی دمای ورودی چرخه را با حذف گرما از دیگ/منبع سوخت در دمای نسبتاً پایین آب تغذیه که بدون گرمایش آب تغذیه احیا کننده وجود دارد، افزایش می دهد. این کارایی چرخه را بهبود می بخشد، زیرا جریان گرمای بیشتری به چرخه در دمای بالاتر رخ می دهد.

        چرخه رانکین ارگانیک [ ویرایش ]

        مقاله اصلی: چرخه رانکین آلی

        چرخه رانکین آلی (ORC) از یک سیال آلی مانند n-پنتان [3] یا تولوئن [4] به جای آب و بخار استفاده می کند. این امکان استفاده از منابع گرمایی با دمای پایین‌تر مانند حوضچه‌های خورشیدی را فراهم می‌کند که معمولاً در حدود ۷۰ تا ۹۰ درجه سانتی‌گراد کار می‌کنند. [5] راندمان چرخه در نتیجه محدوده دمایی پایین‌تر بسیار پایین‌تر است، اما این می‌تواند به دلیل هزینه کمتری که برای جمع‌آوری گرما در این دمای پایین‌تر به همراه دارد، ارزشمند باشد . از طرف دیگر، می توان از سیالاتی استفاده کرد که دارای نقطه جوش بالای آب هستند و این ممکن است مزایای ترمودینامیکی داشته باشد (به عنوان مثال، توربین بخار جیوه را ببینید ). خواص سیال عامل واقعی تأثیر زیادی بر کیفیت بخار (بخار) پس از مرحله انبساط دارد و بر طراحی کل چرخه تأثیر می گذارد.

        چرخه رانکین سیال عامل را در تعریف خود محدود نمی کند، بنابراین نام "چرخه آلی" صرفاً یک مفهوم بازاریابی است و چرخه نباید به عنوان یک چرخه ترمودینامیکی جداگانه در نظر گرفته شود.

        چرخه رانکین فوق بحرانی [ ویرایش ]

        چرخه رانکین اعمال شده با استفاده از یک سیال فوق بحرانی [6] مفاهیم بازسازی حرارت و چرخه رانکین فوق بحرانی را در یک فرآیند واحد به نام چرخه فوق بحرانی احیاکننده (RGSC) ترکیب می کند. برای منابع دمایی 125-450 درجه سانتیگراد بهینه شده است.

        همچنین ببینید [ ویرایش ]

        منابع [ ویرایش ]

        در ویکی‌انبار رسانه‌های مربوط به چرخه رانکین وجود دارد .

        1. ^ اوجی، ا. هاراگوچی، M. (01-01-2022)، تانوما، تاداشی (ویرایش)، "2 - چرخه های توربین بخار و بهینه سازی طراحی سیکل: چرخه رانکین، چرخه های توان حرارتی، و نیروگاه های سیکل ترکیبی گازی شدن یکپارچه" ، پیشرفت ها در توربین های بخار برای نیروگاه های مدرن (ویرایش دوم) ، مجموعه انتشارات وودهد در انرژی، انتشارات وودهد، صفحات 11–40، doi : 10.1016/b978-0-12-824359-6.00020-2 ، ISBN 978-0-12-824359-6، بازیابی شده در 06-07-2023
        2. ↑ گوروگ، آمیلا روان (16-02-2021). "چرخه رانکین" . مهندسی شیمی و فرآیند . بازیابی شده در 2023-02-15 .
        3. ^ کانادا، اسکات؛ جی. کوهن; R. کابل; D. Brosseau; ح. قیمت (2004-10-25). "نیروگاه خورشیدی با چرخه رانکین آلی سهموی" (PDF) . 2004 DOE Solar Energy Technologies . دنور، کلرادو: وزارت انرژی ایالات متحده NREL. بایگانی شده از نسخه اصلی (PDF) در 2009-03-18 . بازیابی شده در 2009-03-17 .
        4. ↑ باتون، بیل (2000-06-18). "موتورهای چرخه رنکین ارگانیک برای انرژی خورشیدی" (PDF) . کنفرانس 2000 خورشیدی . Barber-Nichols, Inc. بایگانی شده از نسخه اصلی (PDF) در 2009-03-18 . بازیابی شده در 2009-03-18 .
        5. ^ نیلسن و همکاران، 2005، Proc. بین المللی انرژی خورشیدی Soc.
        6. ↑ مقتدری، بهداد (1388). "مروری بر فناوری GRANEX برای تولید برق زمین گرمایی و بازیابی حرارت زباله" . کنفرانس انرژی زمین گرمایی استرالیا 2009 . شرکت

        https://en.wikipedia.org/wiki/Rankine_cycle