Кіріспе

Бу турбиналық жүйелердің жұмысын болжауға қолданылатын модель – Ранкин циклы. Бұл цикл кейбір жылу машиналарының, мысалы, бу турбиналарының немесе поршеньді бу машиналарының, жылу көзі мен жылу шоғырланғышы арасында қозғалғанда сұйықтықтан механикалық жұмыс алуға мүмкіндік беретін процесті сипаттайтын идеализирован термодинамикалық цикл. Ранкин циклы Глазго университетіндегі шотланд ғалымы, профессоры Уильям Джон Маккорн Ранкиннің құрметіне аталған. Жылу энергиясы жүйеге қазандық арқылы беріледі, онда жұмыс сұйықтығы (әдетте су) турбинаны айналдыру үшін жоғары қысымды газ тәрізді күйге (буға) айналады. Турбинадан өткеннен кейін сұйықтық қалдық жылу энергиясы шығарылып, қайтадан қазандыққа қайтарылғанға дейін сұйық күйге конденсацияланады, осылай цикл аяқталады. Есептеулерді жеңілдету үшін жүйедегі үйкеліс шығындары көбінесе ескерілмейді, себебі мұндай шығындар, әсіресе ірі жүйелерде, термодинамикалық шығындарға қарағанда әлдеқайда аз болады.

Сипаттама

Ранкин циклы жылу электр станцияларында кең таралған бу қозғалтқыштарының отынның немесе басқа жылу көзінің жылу энергиясын пайдаланып электр энергиясын өндіру процесін дәл сипаттайды. Жылу көздері ретінде көмір, табиғи газ және мұнай сияқты қазба отындарды жағу, ядролық бөлінуге арналған кен ресурстарын пайдалану, биомасса және этанол сияқты жаңаруға жарамды отындар, сондай-ақ шоғырланған күн энергиясы және геотермальдық энергия сияқты табиғи көздерден энергияны жинау мүмкіндіктері бар. Жылуды төмендетуге арналған орталарға құрылыстың үстіндегі немесе айналасындағы ауа, өзендер, көлдер және мұхиттар жатады. Ранкин қозғалтқышының энергияны пайдалану қабілеті жылу көзі мен жылуды төмендету ортасы арасындағы температураның айырмасына байланысты. Айырмашылық неғұрлым үлкен болса, Карно теоремасына сәйкес, жылу энергиясынан тиімді түрде механикалық қуат алуға болады. Ранкин циклының тиімділігі жұмыс сұйықтығының жоғары булану жылуымен шектеледі. Қазандағы қысым мен температура жоғары деңгейге жетпесе, циклдің жұмыс істейтін температура диапазоны өте тар болады. 2022 жылғы мәліметтер бойынша, көптеген суперкритикалық электр станциялары будың кіріс қысымын 24,1 МПа және кіріс температурасын 538 °C мен 566 °C аралығында қолданады, бұл қондырғының 40% тиімділігін қамтамасыз етеді. Бірақ, егер қысым 31 МПа-ға дейін арттырылса, электр станциясы ультрасуперкритикалық деп аталады, сонда будың кіріс температурасын 600 °C-қа дейін көтеруге болады, осылайша 42% жылу тиімділігіне қол жеткізіледі. Бұл төмен бу турбинасының кіріс температурасы (газ турбинасымен салыстырғанда) Ранкин (бу) циклын газ турбиналық электр станцияларында басқаша шығарылатын жылуды қайтару үшін қосалқы цикл ретінде қолдануға себеп болады. Атап айтқанда, өте ыстық жану өнімдері алдымен газ турбинасында кеңейтіледі, ал одан кейін салыстырмалы түрде ыстық шығарынды газдар Ранкин циклы үшін жылу көзі ретінде пайдаланылады, осылайша жылу көзі мен жұмыс сұйықтығы арасындағы температура айырмасы төмендеп, қайтымсыздықтан туындаған энтропия мөлшері азаяды. Ранкин қозғалтқыштары әдетте жұмыс сұйықтығының қайта пайдаланылатын жабық циклде жұмыс істейді. Электр станцияларынан шығатын сулы будың көрінуі салқындату жүйелерімен (жабық циклді Ранкин электр циклынан емес) байланысты. Бұл "шығарылым" жылуы Т–s диаграммасында көрсетілген циклдің төменгі жағынан шығатын "Qout" арқылы бейнеленеді. Салқындату мұнаралары жұмыс сұйықтығының булануының жасырын жылуын сіңіріп, бір мезгілде салқындату суын атмосфераға буландыру арқылы үлкен жылу алмастырғыштар ретінде жұмыс істейді. Жұмыс сұйықтығы ретінде көптеген заттарды қолдануға болады, бірақ су оның қарапайым химиясы, салыстырмалы көптігі, төмен құны және термодинамикалық қасиеттері үшін әдетте таңдалады. Жұмыс буын сұйықтыққа конденсациялау арқылы турбина шығысындағы қысым төмендейді, ал қоректендіру сорғысы қажет ететін энергия турбинаның шығыс қуатының 1%-дан 3%-ына дейін ғана жұмсалады. Бұл факторлар циклдің тиімділігін арттырады. Бұл артықшылық турбинаға кіретін будың төмен температурасымен өтеледі. Мысалы, газ турбиналарының турбинаға кіретін температурасы 1500 °C-қа жуық. Дегенмен, ірі бу электр станцияларының және ірі газ турбиналық станцияларының жылу тиімділігі шамамен бірдей.

Ранкин циклының төрт процесі

Ранкин циклында төрт процесс бар. Күйлер T–s диаграммасында сандармен (қоңыр түсті) белгіленеді. Ранкин циклының тікелей процестері Атауы Қорытындысы Түсіндірме Процесс 1–2 Изоентропиялық сығылу Жұмыс сұйықтығы төмен қысымнан жоғары қысымға дейін сорғыланады. Бұл кезеңде сұйықтық сұйық күйде болғандықтан, сорғыға аз энергия қажет. Процесс 2–3 Қазандағы тұрақты қысыммен жылу қосылу Жоғары қысымды сұйықтық қазанға кіреді, онда ол сыртқы жылу көзімен тұрақты қысымда қыздырылып, құрғақ қаныққан буға айналады. Енталпия-энтропия диаграммасын (h–s диаграммасы немесе Мольер диаграммасы) немесе бу кестелерін немесе бағдарламалық қамтамасыздану арқылы қажетті кіріс энергиясын графикалық түрде немесе сандық түрде оңай есептеуге болады. Процесс 3–4 Изоентропиялық кеңею Құрғақ қаныққан бу турбина арқылы кеңейіп, қуат өндіреді. Бұл будың температурасы мен қысымын төмендетеді және кейбір конденсация пайда болуы мүмкін. Бұл процестегі шығысты жоғарыда аталған кестелерді немесе диаграммаларды пайдалану арқылы оңай есептеуге болады. Процесс 4–1 Конденсатордағы тұрақты қысыммен жылуды шығару Ылғал бу конденсаторға кіреді, онда ол тұрақты қысымда конденсацияланып, қаныққан сұйықтыққа айналады. Идеал Ранкин циклында сорғы мен турбина изоентропиялық болады, яғни сорғы мен турбина энтропияны өндірмейді және осылайша таза жұмыс өнімділігін максималды деңгейге жеткізеді. Процесс 1–2 және 3–4 T–s диаграммасында тік сызықтармен көрсетіледі және Карно циклына жақын болады. Мұнда көрсетілген Ранкин циклы турбинадағы кеңеюден кейін жұмыс сұйықтығының күйінің қызып кеткен бу аймағына жетуіне бөгет жасайды, бұл конденсаторлардың жұтып алған энергиясын азайтады. Нақты бу қуат циклы, сұйықтықтардың үйкелісінен және қоршаған ортаға жылудың жоғалтылуынан туындаған компоненттердің кері қайтарылмайтындығына байланысты идеал Ранкин циклынан өзгеше. Сұйықтықтардың үйкелісі қазандықта, конденсаторда және компоненттер арасындағы құбырларда қысымның төмендеуіне себеп болады, нәтижесінде бу қазандықты төмен қысыммен тастайды. Жылудың жоғалтылуы таза жұмыс өнімділігін төмендетеді, сондықтан қазандықтағы буға жылу қосу таза жұмыс өнімділігінің сол деңгейін сақтау үшін қажет.

Реалдық Ранкин циклі (идеалдық емес)

Нақты электр станциясының циклында ("Ранкин циклы" атауы тек идеалды цикл үшін қолданылады) сорғының қысуы және турбинадағы кеңеюі изентропиялық емес. Яғни, бұл процестер қайтымсыз болып табылады және екі процесте де энтропия ұлғаяды. Бұл сорғыға қажетті қуатты шамалы арттырады және турбинаның генерациялайтын қуатын азайтады. Атап айтқанда, бу турбинасының тиімділігі су тамшыларының пайда болуымен шектеледі. Су конденсацияланғанда, су тамшылары турбина қалақтарына жоғары жылдамдықпен тиеді, осыдан шұңқырлар мен эрозия пайда болады, турбина қалақтарының қызмет ету мерзімі мен турбинаның тиімділігі біртіндеп төмендейді. Бұл мәселені шешудің ең оңай жолы – буды қыздыру. Жоғарыдағы T–s диаграммасында 3-ші күй бу мен судың екі фазалық аймағының шекарасында орналасқан, сондықтан кеңейгеннен кейін бу өте ылғалды болады. Буды қыздыру арқылы 3-ші күй диаграммада оңға (және жоғарыға) жылжиды, нәтижесінде кеңейгеннен кейін құрғақ бу түзіледі.

Қайта қыздырумен Ранкин циклі

Қайта қыздыру циклының мақсаты – будың кеңейту процесінің соңғы сатыларындағы ылғалдылығын жою. Бұл нұсқада екі турбина тізбектей жұмыс істейді. Біріншісі жоғары қысымдағы қазаннан буды қабылдайды. Бу бірінші турбинадан өткеннен кейін, қазанға қайта кіріп, екінші, төмен қысымды турбинадан өтуден бұрын қайта қыздырылады. Қайта қыздыру температурасы кіретін температураға өте жақын немесе тең болады, ал қажетті оңтайлы қайта қыздыру қысымы бастапқы қазандық қысымының тек төрттен бірін құрайды. Басқа артықшылықтарының қатарында, бұл будың кеңею кезінде конденсациялануына кедерес жасайды, соның салдарынан турбина қанаттарының зақымдануын азайтады және циклдің тиімділігін арттырады, себебі циклге түсетін жылу ағынының көп бөлігі жоғары температурада жүзеге асады. Қайта қыздыру циклы алғаш рет 1920 жылдары енгізілген, бірақ техникалық қиындықтарға байланысты ұзақ уақыт бойы қолданылмады. 1940 жылдары жоғары қысымды қазандықтардың өндірісі артуымен қайтадан қолданысқа енгізілді, ал 1950 жылдары қос қайта қыздыру енгізілді. Қос қайта қыздырудың мақсаты – орташа температураны арттыру. Көрсетілгендей, қайта қыздырудың екі сатыдан асуы қажет емес, себебі келесі саты алдыңғы сатымен салыстырғанда циклдің тиімділігін жартысына ғана арттырады. Бүгінде қос қайта қыздыру суперкритикалық қысымда жұмыс істейтін электр станцияларында кеңінен қолданылады.

Ранкиннің регенерациялық циклі

Регенеративті Ранкин циклы осылай аталуына себебі, конденсатордан шыққаннан кейін (мүмкін, салқындатылған сұйықтық түрінде) жұмыс сұйықтығы циклдің қызу бөлігінен алынған бумен қыздырылады. Көрсетілген схемада 2 нүктедегі сұйықтық 4 нүктедегі сұйықтықпен араластырылады (екеуінің де қысымы бірдей), нәтижесінде 7 нүктеде қаныққан сұйықтық пайда болады. Бұл "тікелей араластыру арқылы қыздыру" деп аталады. Регенеративті Ранкин циклы (шағын өзгерістермен) нақты электр станцияларында кеңінен қолданылады. Тағы бір нұсқасында турбина сатылары арасынан алынған бу, конденсатордан қазанға баратын суды алдын ала қыздыру үшін су жылытқыштарына жіберіледі. Бұл жылытқыштар кіріс буын және конденсатты араластырмайды, обыкновенный құбырлы жылу алмастырғыш ретінде жұмыс істейді және "жабық су жылытқыштары" деп аталады. Регенерация, регенеративтік су жылыту болмаған жағдайда болатын салыстырмалы түрде төмен су температурасында қазаннан/жанармай көзінен жылу қосылуын болдырмау арқылы циклге кіретін жылу температурасын арттырады. Бұл циклдің тиімділігін жақсартады, өйткені циклге кіретін жылу ағынының көп бөлігі жоғары температурада жүзеге асады.

Органикалық Ранкин циклі

Органикалық Ранкин циклы (ОРК) су мен будың орнына n-пентан немесе толуол сияқты органикалық сұйықтықты қолданады. Бұл күн тобырлары сияқты, әдетте 70–90 °C температурада жұмыс істейтін, төмен температуралы жылу көздерін пайдалануға мүмкіндік береді. Температура диапазонының төмендігіне байланысты циклдің тиімділігі айтарлықтай төмендеуі мүмкін, бірақ бұл температурада жылуды жинаудың төмен құны себепті тиімді болуы мүмкін. Сонымен қатар, қайнау температурасы судан жоғары сұйықтықтарды қолдануға болады, бұл термодинамикалық артықшылықтарға әкелуі мүмкін (мысалы, сынап бу турбинасын қараңыз). Жұмыс сұйықтығының қасиеттері кеңею кезеңінен кейін будың (газдың) сапасына маңызды әсер етеді, бұл циклдің жалпы құрылымын анықтайды. Ранкин циклы жұмыс сұйықтығын өзінің анықтамасында шектемейді, сондықтан "органикалық цикл" деген атау – тек маркетингтік ұғым және оны жеке термодинамикалық цикл деп қарастыру қате.

Ранкиннің жоғары сыни циклі

Суперкритикалық сұйықтықты қолдана отырып жүзеге асырылатын Ранкин циклы, жылуды қайта жаңарту және суперкритикалық Ранкин циклы ұғымдарын "регенеративті суперкритикалық цикл" (RGSC) деп аталатын бірыңғай процеске біріктіреді. Ол 125–450 °C температуралы көздер үшін оңтайландырылған.