چرخه ی رانکین - میهن مهر

سیکل رانکین یک سیکل ترمودینامیکی است که گرما را به کار تبدیل می کند. سیال عامل این سیکل معمولا آب می باشد. این سیکل حدود ۸۰ % نیروی الکتریکی استفاده شده در سرتاسر جهان را تولید می کند. این سیکل توسط دانشمند اسکاتلندی به نام ویلیام جان مک گورن رانکین نامگذاری شد. زغال سنگ، گاز طبیعی، نفت و انرژی هسته ای، منابع حرارتی رایج برای نیروگاههایی هستند که از سیکل رانکین استفاده می کنند.

زمانی که از یک توربین با بازده ۱۰۰ % در سیکل رانکین استفاده شود، بعضی اوقات به آن سیکل کارنوی کاربردی گفته می شود چون دیاگرام T-S آن شبیه به دیاگرام سیکل کارنو میشود.تنها اختلاف این است که از یک پمپ برای متراکم کردن مایع به جای کمپرسور گازی استفاده می شود. استفاده از پمپ نیازمند ۱ % انرژی بیشتر در مقایسه با فشرده سازی یک گاز در داخل کمپرسور می باشد. بازده سیکل رانکین معمولا بوسیله سیال عامل محدود می شود. اگر فشار در ناحیه فوق بحرانی نباشد، دمای ورودی توربین معمولا C◦۵۶۵و دمای کندانسور حدود C◦۳۰ می باشد. این مقادیر باعث بازده تئوریکی ۶۳ % می شود در مقایسه با بازده واقعی ۴۲ % برای نیروگاههای پیشرفته که با زغال سنگ کار می کنند. این دمای ورودی توربین پایین(در مقایسه با توربین گازی) باعث می شود تا سیکل رانکین اغلب به عنوان سیکل زیرین در سیکل های ترکیبی نیروگاههای توربین گازی استفاده شود.

یکی از مزیت های اساسی سیکل رانکین که آن را برتر از سیکل های دیگر قرار می دهد این است که در فرآیند تراکم کار نسبتا کمی برای پمپ نیاز است چون سیال عامل در این نقطه در فاز مایع خود می باشد. کار مورد نیاز برای پمپ حدود %۱ تا %۳ قدرت توربین می باشد. سیال عامل در سیکل رانکین از یک حلقه بسته تبعیت می کند و به طور مداوم تکرار می شود. بخار آب و قطرات کوچک موجود در نیروگاه ها ، بوسیله سیستم های خنک کننده ایجاد می شوند و نشان دهنده گرمای تلف شده ای هستند که نمی توانند به کار مفید تبدیل شوند. این باید ذکر شود که برج های خنک کن با استفاده از گرمای نهان تبخیر سیال خنک کننده کار می کنند. اگرچه مواد زیادی می توانند در سیکل رانکین به عنوان سیال عامل مورد استفاده قرار گیرند ولی آب معمولا به خاطر خواص مطلوبی چون غیر سمی بودن، فراوان بودن، هزینه پایین و خواص ترمودینامیکی خود، سیال انتخابی است.

فرآیندهای سیکل رانکین

چهار فرآیند اصلی در سیکل رانکین وجود دارد که هر کدام شرایط سیال عامل را تغییر می دهند.

فرآیند ۱-۲: سیال عامل از فشار پایین به فشار بالاتر پمپ می شود و از آنجایی که سیال در این مرحله در حالت مایع اشباع قرار دارد، پمپ به انرژی ورودی کمی نیاز دارد.

فرآیند ۲-۳: این مایع فشار بالا وارد بویلر می شود که در این مرحله در فشار ثابت بوسیله یک منبع گرمایی خارجی گرم شده و تبدیل به بخار اشباع خشک می شود.

فرآیند ۳-۴: بخار خشک اشباع بوسیله توربین منبسط می شود و تولید توان می کند. این عمل باعث کاهش فشار و دمای بخار می شود و ممکن است چگالش مختصری هم رخ بدهد.

فرآیند ۴-۱: بخار مرطوب وارد کندانسور می شود و در داخل آن در یک فرآیند دما-فشار ثابت تبدیل به مایع اشباع می شود.

در سیکل ایده آل رانکین، پمپ و توربین آیزنتروپیک خواهند بود یعنی هیچ آنتروپی تولید نخواهند کرد و بنابراین کار خالص خروجی را ماکزیمم خواهند کرد. همچنین فرآیندهای ۱-۲ و ۳-۴ بوسیله خطوط عمودی در دیاگرام T-S نشان داده خواهند شد و بسیار شبیه به سیکل کارنو خواهد شد.

معادلات محاسباتی سیکل

از قانون اول می دانیم که:

کار خالص خروجی عبارتست از:

گرمای خالص فراهم شده در بویلر عبارتست از:

بازده سیکل رانکین عبارتست از: