Cycle de Rankine
Le cycle de Rankine est un cycle thermo-dynamique du qui la chaleur de convertis dans le travail. La chaleur est fournie extérieurement à une boucle bloquée, qui emploie habituellement l'eau comme fluide de fonctionnement. Presque tous les charbon et centrales nucléaires emploient ce cycle pour la production d'électricité. Elle est baptisée du nom de William John Macquorn Rankine , un grand penseur écossais.
Description
Un cycle de Rankine décrit un modèle du fonctionnement des moteurs thermiques de de vapeur le plus généralement trouvés aux usines de production d'électricité de . Les sources de chaleur communes pour des centrales using le cycle de Rankine sont le charbon , le gas naturel , le pétrole, et le nucléaire.
Le cycle de Rankine désigné parfois sous le nom d'un cycle pratique de Carnot de comme, quand une turbine efficace est utilisée, le diagramme de SOLIDES TOTAUX de commencera à ressembler au cycle de Carnot. Le différent principal est qu'une pompe est utilisée pour comprimer l'eau liquide. Ceci exige environ 100 fois moins d'énergie cette compression d'un gaz dans un compresseur (comme dans le cycle de Carnot).
L'efficacité d'un cycle de Rankine est habituellement limitée par le fluide de fonctionnement. Sans allant critique superbe de pression la température ambiante que le cycle peut fonctionner plus d'est tout à fait petite, les températures d'entrée de turbine sont typiquement 565°C (la limite de fluage de l'acier inoxydable) et les températures de condensateur sont autour de 30°C. Ceci donne une efficacité théorique de Carnot de environ de 63% comparé à une efficacité réelle de 42% pour une centrale électrique à charbon moderne. Cette basse température d'entrée de turbine (comparée à une turbine à gaz ) est pourquoi le cycle de Rankine est employé souvent car un cycle de enfoncement dans les centrales électriques combinées de la turbine à gaz de cycle .
Le fluide de fonctionnement dans un cycle de Rankine suit une boucle bloquée et est réutilisé constamment. Se soulever souvent vu de la vapeur de l'eau des centrales électriques est produit par les systèmes de refroidissement et représente la chaleur résiduelle qui ne pourrait pas être convertie en travail utile. Noter que la vapeur est invisible jusqu'à ce qu'elle contacte l'air frais et saturé, lequel au point elle condense et forme les nuages billowy blancs vus laisser les tours de refroidissement . Tandis que beaucoup de substances pourraient être employées dans le cycle de Rankine, l'eau est habituellement le fluide du choix dû à ses propriétés favorables, telles que la chimie, l'abondance, et le coût bas non-toxiques et non réactifs, aussi bien que ses propriétés thermo-dynamiques.
Un des avantages de principe qu'il se tient au-dessus d'autres cycles est celui pendant l'étape de compression relativement peu de travail est exigé pour conduire la pompe, due au fluide de fonctionnement ayant lieu dans sa phase liquide en ce moment. En condensant le fluide au liquide, le travail exigé par la pompe consommera seulement approximativement 1% de la puissance de turbine et ainsi donner un rendement beaucoup plus élevé pour un vrai cycle. L'avantage de ceci est quelque peu dû perdu à la température plus basse d'addition de la chaleur. Les turbines à gaz , par exemple, ont les températures d'entrée de turbine approcher 1500°C. Néanmoins, les efficacités des cycles et des turbines à gaz de vapeur sont assez bonnes assorties.
Processus du cycle de Rankine
Il y a quatre processus dans le cycle de Rankine, chacun qui change l'état du fluide de fonctionnement. Ces états sont identifiés par le nombre dans le diagramme vers la droite.
processus 1-2 de
: Le fluide de fonctionnement est pompé du bas à la pression, car le fluide est un liquide à ce stade que la pompe exige peu de pour entrer l'énergie.
Processus 2 ou 3 : Le liquide à haute pression entre dans une chaudière où il est heated à la pression constante par une source extérieure de chaleur de devenir une vapeur saturée sèche.
Processus 3-4 : La vapeur saturée sèche augmente par une turbine , développant la puissance. Ceci diminue la température et la pression de la vapeur, et de la condensation peut se produire.
Processus 4-1 : La vapeur humide entre dans alors un condensateur où elle est refroidie à une pression et à une température constantes de devenir un liquide saturé par . La pression et la température du condensateur est fixée par la température des serpentins de refroidissement pendant que le fluide subit un phase-change.
Dans un cycle de Rankine idéal la pompe et la turbine seraient le isentropique, c., la pompe et la turbine ne produiraient d'aucune entropie et par conséquent pour maximiser le rendement net de travail. Des processus 1-2 et 3-4 seraient représentés par les lignes verticales sur les solides totaux diagram et ressemblent plus étroitement à cela du cycle de Carnot. Le cycle de Rankine montré ici empêche la vapeur finissant vers le haut dans la région de surchauffe après l'expansion dans la turbine, qui réduit l'énergie enlevée par les condensateurs.
Variables
border="| Heat débit à ou du système (énergie par temps d'unité) | |
| (la masse par temps d'unité) | |
| Mechanical consommée près ou fournie au système (énergie par temps d'unité) | |
| Thermodynamic du processus (rendement de puissance par entrée de chaleur, sans dimensions nets) | |
| Isentropic de la compression (pompe d'alimentation) et processus d'expansion (turbine), dimensionless | |
| The ; " spécifique des enthalpies ; aux points indiqués sur les SOLIDES TOTAUX diagram | |
| The ; " spécifique de l'enthalpie ; du fluide si la turbine étaient le isentropique | |
| The avant et après la compression process |
Équations
Chacune des quatre premières équations est facilement dérivée de l'énergie et du bilan de matière pour un volume de commande. La cinquième équation définit l'efficacité thermo-dynamique du cycle comme rapport du rendement de puissance net à l'entrée de chaleur. Car le travail exigé par la pompe est souvent environ 1% du rendement de travail de turbine, l'équation 5 peut être simplifiée.
Vrai cycle de Rankine (non-idéal)
Dans un vrai cycle de Rankine, la compression par la pompe et l'expansion dans la turbine ne sont pas isentropiques. En d'autres termes, ces processus sont irréversibles et l'entropie est augmentée pendant les deux processus. Ceci augmente légèrement la puissance exigée par la pompe et diminue la puissance développée par la turbine. Il effectue également des calculs plus impliqués et difficiles.En particulier l'efficacité de la turbine à vapeur de vapeur sera limitée par formation de gouttelette d'eau. Pendant que l'eau condense, les gouttelettes d'eau frappent les lames de turbine de turbines à la piqûre de corrosion causante à grande vitesse et à l'érosion, diminuant graduellement l'efficacité de la turbine. La manière la plus facile de surmonter ce problème est en surchauffant la vapeur. Sur les solides totaux diagram en haut, l'état 3 est au-dessus d'une région biphasée de vapeur et d'eau ainsi après que l'expansion la vapeur soit très humide. Par la surchauffe, l'état 3 se déplacera à la droite du diagramme et par conséquent produira une vapeur plus sèche après expansion.
Variations du cycle de Rankine de base
Le global l'efficacité que thermo-dynamique (de presque tout cycle) peut être augmentée en soulevant le droit de ce cycle. L'augmentation de la température de la vapeur dans la région de surchauffe est une manière simple de faire ceci. Il y a également des variations du cycle de Rankine de base qui sont conçues pour soulever l'efficacité thermique du cycle de cette façon ; deux de ces derniers sont décrits ci-dessous.
Cycle de Rankine avec le réchauffage
Dans cette variation, deux turbines fonctionnent en série. Le premier accepte la vapeur de la chaudière à la pression. Après que la vapeur ait traversé la première turbine, elle réintroduit la chaudière et est réchauffée avant le dépassement par un deuxième, turbine de plus basse pression. Entre d'autres avantages, ceci empêche la vapeur du condensant pendant son expansion qui peut sérieusement endommager les lames de turbine de turbines, et améliore l'efficacité du cycle.
Cycle de Rankine régénérateur
Le cycle de Rankine régénérateur est ainsi appelé parce qu'après l'émergence du condensateur (probablement comme liquide de Subcooled de ) le fluide de fonctionnement est chauffé par la vapeur tapée de la partie chaude du cycle. Sur le diagramme montré, le fluide à 2 est mélangé au fluide à 4 (tous les deux à la même pression) pour finir vers le haut avec le liquide saturé à 7. Le cycle de Rankine régénérateur (avec des variantes mineures) est utilisé généralement dans de vraies centrales électriques.
Une autre variation est où « la vapeur de soutirage » de entre des étapes de turbine est envoyée aux réchauffeurs d'eau d'alimentation de pour préchauffer l'eau sur son chemin du condensateur à la chaudière.
Cycle de Rankine organique
Le cycle de Rankine organique (ORC) emploie un fluide organique tel que le pentane ou le butane au lieu de l'eau et de la vapeur. Ceci permet l'utilisation des sources de chaleur de la bas-température, telles que les étangs solaires , qui fonctionnent typiquement à environ 70-90 °C. L'efficacité du cycle est beaucoup inférieure en raison de la gamme de plus basse température, mais ceci peut être valable en raison de l'impliqué plus peu coûteux en recueillant la chaleur à cette plus basse température. Alternativement, on peut employer des fluides qui ont des points d'ébullition en surface, et ceci peut avoir les avantages thermo-dynamiques.
Le cycle de Rankine ne limite pas le fluide de fonctionnement dans sa définition, ainsi l'inclusion d'un " ; organic" ; le cycle est simplement un concept de vente qui ne devrait pas être considéré comme un cycle thermo-dynamique séparé.