Szimulátor laboratórium

A vízerőműveket kivéve, a legtöbb energiatermelő erőmű valamilyen kazánt és gőzturbinát alkalmaz. Egy egyszerű gőzerőmű vázlatos ábrája az alábbiakban látható:

A nagynyomású gőz elhagyja a kazánt és belép a turbinába. A gőz a turbinában kitágul, és munkát végez, amely lehetővé teszi, hogy a turbina meghajtja az elektromos generátort. A kipufogógőz elhagyja a turbinát és belép a kondenzátorba, ahol a gőzből a hő átadódik a hűtővíznek. A kondenzátort elhagyó kondenzátum nyomását a szivattyú megnöveli, ezáltal lehetővé téve, hogy a kondenzátum a kazánba áramoljon. Ezt a termodinamikai ciklust Rankine-ciklusnak nevezik.

A Rankine-ciklus hatásfoka

Amint fentebb említettük, a gőzből a hűtővízbe mindig távozik némi hő. Ezenkívül a tápszivattyúk energiát fogyasztanak, így csökkentve a nettó munkateljesítményt. A Rankine-ciklus hatásfoka ekkor a következőképpen fejezhető ki:

vagy

A fenti diagramra hivatkozva és a Rankine-ciklus entalpiaértékeit felhasználva leírhatjuk:

A Rankine-ciklus hatásfokának javítása

A nyomás és a hőmérséklet hatása a Rankine-ciklusra

Ha a kipufogónyomás P4-ről P4′ értékre csökken, és ennek megfelelően csökken a hőmérséklet, amelyen a hő a kondenzátorban visszavezetésre kerül, akkor a nettó munka a terület 1-4-4′-1′-2′-2-1 (lásd az alábbi diagramot)

Hasonlóképpen, ha a gőz a kazánban túlhevül, nyilvánvaló, hogy a munka 3-3′-4′-4-3 területtel nő (lásd az alábbi diagramot):

A gőz túlhevítése a gőz füstgázokkal való érintkezési idejének növelésével történik. A túlhevítés eredménye, hogy adott teljesítmény mellett a túlhevített gőzt használó erőmű kisebb méretű lesz, mint a száraz telített gőzt használó.

A visszamelegítési ciklus

Fentebb megjegyeztük, hogy a Rankine-ciklus hatásfokát a gőz túlhevítése növeli. Ha találnánk olyan fémeket, amelyekkel magasabb hőmérsékletet lehetne elérni, akkor a Rankine-ciklus még hatékonyabb lehetne. A hatásfok javítására kifejlesztették az újramelegítési ciklust, amelyet az alábbiakban vázlatosan ábrázolunk:

Ebben a ciklusban a gőz a turbinában valamilyen közbenső nyomásra kitágul, majd a kazánban újramelegítik, és ezt követően a kisnyomású turbinában kitágul a kipufogónyomásig. A Rankine-ciklus újramelegítéses hőhasznosítással a következőképpen fejezhető ki:

A regeneratív ciklus

A Rankine-ciklus másik változata a regeneratív ciklus, amely tápvízmelegítők használatával jár. A 2. és 2′ állapotok közötti folyamat során a tápvizet felmelegítik, és az átlagos hőmérséklet e folyamat során sokkal alacsonyabb, mint a 2′-3. elpárolgási folyamat során. Más szóval a Rankine-ciklusban a hőellátás átlagos hőmérséklete alacsonyabb, mint az 1′-2′-3-4-1′ Carnot-ciklusban, és következésképpen a Rankine-ciklus hatásfoka kisebb, mint a megfelelő Carnot-ciklusé. A Carnot-ciklus és a Rankine-ciklus közötti összefüggés az alábbiakban látható.

A regeneratív ciklusban a tápvíz valamikor 2 és 2′ között lép be a kazánba. Ennek eredményeként megnő az átlagos hőmérséklet, amelyen a hőellátás történik. A gyakorlati ciklus vázlata az alábbiakban látható:

A berendezés termikus hatásfoka

A teljes berendezés termikus hatásfokának kiszámításához a fenti képleteket úgy kell módosítanunk, hogy beépítsük a kazán újramelegítő szakaszaiban hozzáadott hőt:

Súgások & Tippek

Ebben a laborban lényegében a Rankine-ciklus termikus hatásfokát kell kiszámítania. Azonban figyelembe kell vennie az újramelegítési ciklust, és a következő címkéket kell naplóznia a trendekben:

• Q02395 Reheater 1 átadott hő
• Q02375 Reheater 2 átadott hő

A kazán tápvíz bemeneti hőmérsékletéhez használhatja az indító hőcserélő tápvíz kimeneti hőmérséklete címkét: T02447.

A második számításhoz keresse meg a 0100-as változólista lapot az alábbiak szerint:

A harmadik számításhoz győződjön meg róla, hogy minden gőzelvonó szelepet bezárt, és állítsa a T00305-öt 10°C-ra:

Az entalpiaértékek kiszámításához használhat egy alkalmazást vagy online eszközt, például a Superheated Steam Table-t (Túlhevített gőz táblázat): https://goo.gl/GdVM4U