Hoe de Rankine-cyclus warmte omzet in arbeid, de vier hoofdprocessen, berekeningen, toepassingen en efficiëntieverbeteringen in energiecentrales.
Hoe zet een Rankine-cyclus warmte om in arbeid
De Rankine-cyclus is een thermodynamische cyclus die veelvuldig wordt gebruikt in stroomopwekkingsinstallaties. In zijn eenvoudigste vorm zet deze cyclus warmte om in mechanische arbeid, die op zijn beurt kan worden omgezet in elektrische energie. Dit process werkt door gebruik te maken van een werkvloeistof, meestal water/stoom, dat door verschillende fasen gaat om energie op te nemen en af te geven.
De vier hoofdprocessen van de Rankine-cyclus
- Isentropische compressie in een pomp: In dit proces wordt de werkvloeistof in vloeibare vorm (bij lage temperatuur en druk) in een pomp gecomprimeerd. De pomp verhoogt de druk van de vloeistof zonder significant de temperatuur te verhogen. De werk die door de pomp wordt toegevoegd, kan worden berekend met:
Wpomp = v * (P2 – P1)
waar v het specifiek volume is en P1, P2 de drukken voor en na de pomp zijn.
- Isobarische warmte toevoer in een boiler: De gecomprimeerde vloeistof wordt vervolgens naar een boiler gevoerd, waar warmte bij constante druk aan de vloeistof wordt toegevoegd. Hierdoor verandert de vloeistof in verzadigde stoom. De hoeveelheid toegevoerde warmte, Qtoevoer, kan worden berekend met:
Qtoevoer = m * (h3 – h2)
waar m de massaflow is en h2, h3 de specifieke enthalpieën zijn vóór en na de boiler.
- Isentropische expansie in een turbine: De stoom wordt dan uitgebreid in een turbine, wat resulteert in een daling van zowel de druk als de temperatuur van de stoom en in de productie van mechanische arbeid. Deze arbeid, Wturbine, kan berekend worden met:
Wturbine = m * (h3 – h4)
waar h3 en h4 de specifieke enthalpieën van de stoom zijn als het de turbine binnenkomt en verlaat.
- Isobarische warmte afvoer in een condensor: In het laatste proces wordt de uitgezette stoom van de turbine door een condensor gevoerd, waar warmte bij constante druk wordt afgevoerd. Hierdoor condenseert de stoom terug naar een vloeistof (condensaat), klaar om opnieuw het proces te beginnen. De verwijderde warmte, Qafvoer, kan worden berekend met:
Qafvoer = m * (h4 – h1)
waar h4 en h1 de specifieke enthalpieën zijn na de turbine en na de condensor.
Werkverzet en Efficiëntie
De netto arbeid die door de Rankine-cyclus wordt verricht is het verschil tussen de arbeid geleverd door de turbine en het werk dat de pomp kost:
Wnetto = Wturbine – Wpomp
De thermodynamische efficiëntie van de Rankine-cyclus kan worden berekend als de verhouding tussen de netto arbeid en de toegevoerde warmte:
Efficiëntie = \(\frac{W_{netto}}{Q_{toevoer}}\) = \(\frac{(h_3 – h_4) – (h_2 – h_1)}{h_3 – h_2}\)
In de praktijk zullen er wat verliezen zijn door frictie en irreversibiliteiten waardoor de werkelijke efficiëntie iets lager is dan de theoretische waarde.
Toepassingen van de Rankine-cyclus
De Rankine-cyclus is de basis voor de meeste thermische energiecentrales. Het wordt toegepast in elektriciteitscentrales op basis van kolen, aardgas, kernenergie en geothermische energie. Door de basisbegrippen van de Rankine-cyclus te begrijpen, kunnen ingenieurs en technici de prestaties van energiecentrales optimaliseren en zo bijdragen aan meer efficiënte energieproductie.