Rankine-Zyklus. Die Umwandlung von Wärme in Arbeit und ihre Nutzung
Der Rankine-Zyklus ist ein thermodynamischer Zyklus, der aus zwei isentropen Transformationen und zwei Isobaren besteht. Sein Zweck besteht darin, mithilfe eines Wärmetauschers Wärme in Arbeit umzuwandeln. Es ist die Grundlage für die Konstruktion von Dampfmaschinen aller Art.
Bei einem isentropen Prozess bleibt die Entropie des Systems konstant, während bei einem isentropen Prozess der Druck konstant bleibt.
Der Rankine-Zyklus kann sein:
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Offener Rankine-Kreislauf, bei dem Dampf in die Atmosphäre abgegeben wird (wie zB bei den alten Dampflokomotiven).
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Geschlossener Rankine-Kreislauf, wie bei thermoelektrischen Kraftwerken. In geschlossenen Kreisläufen kann die Restwärme aus der Dampfkondensation durch Kraft-Wärme-Kopplung genutzt werden.
Wie funktioniert der Rankine-Zyklus?
Der Rankine-Zyklus arbeitet mit vier thermodynamischen Prozessen. Die Zustände sind im T - S-Diagramm (Temperatur - Entropie) durch Zahlen (in Braun) gekennzeichnet.
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Prozess 1-2: isentrope Kompression in der Pumpe. Das Arbeitsmedium wird von Nieder- auf Hochdruck gepumpt. Da das Fluid zu diesem Zeitpunkt flüssig ist, benötigt die Pumpe wenig Eingangsenergie.
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Prozess 2-3: Wärmezufuhr bei konstantem Druck in den Kessel. Die Hochdruckflüssigkeit tritt in einen Kessel ein, wo sie durch einen isobaren Prozess durch eine externe Wärmequelle bei konstantem Druck erhitzt wird, um einen gesättigten Trockendampf zu werden. In dieser Phase findet ein Phasenwechsel des Wassers von flüssig zu gasförmig statt.
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Verfahren 3-4: isentrope Expansion in der Turbine. Der gesättigte Trockendampf entspannt sich durch eine Dampfturbine und erzeugt Energie. Aus thermodynamischer Sicht verringert dies die Temperatur und den Druck des Dampfes, und es kann zu einer gewissen Kondensation kommen.
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Prozess 4-1: Konstantdruck-Wärmeabfuhr im Kondensator, isobarer Prozess. Der Nassdampf tritt in einen Kondensator ein, wo er bei konstantem Druck zu einer gesättigten Flüssigkeit kondensiert.
In einem idealen Rankine-Zyklus wären Pumpe und Turbine isentrop. Das heißt, die Pumpe und die Turbine erzeugen keine Entropie und maximieren daher die Nettoarbeitsleistung. Die Prozesse 1-2 und 3-4 würden im TS-Diagramm durch vertikale Linien dargestellt und würden eher dem Carnot-Zyklus ähneln.
Der hier gezeigte Rankine-Zyklus verhindert, dass der Arbeitsfluidzustand nach der Expansion in der Dampfturbine in den Heißdampfbereich gelangt. In diesem Fall wird die von den Kondensatoren abgeführte Energie reduziert.
Der tatsächliche Dampfkraftzyklus unterscheidet sich vom idealen Rankine-Zyklus aufgrund von Irreversibilitäten durch Flüssigkeitsreibung und Wärmeverlust an die Umgebung. Die Reibung der Flüssigkeit verursacht Druckverluste im Flüssigkeitskreislauf. Der Wärmeverlust reduziert wiederum die Nettoarbeitsleistung und erfordert eine Wärmezufuhr zum Dampf.
Wofür wird der Rankine-Zyklus verwendet?
Der Zyklus beschreibt den Betrieb von thermischen Maschinen in thermischen Kraftwerken. Die üblichen Wärmequellen für diese Anlagen sind fossile Brennstoffe, Solarenergie oder Kernbrennstoff.
Obwohl ein Rankine-Zyklus mit verschiedenen Substanzen arbeiten kann, wird Wasser aufgrund mehrerer günstiger Eigenschaften häufig verwendet. Diese Anlagen verwenden Wasser als Motorflüssigkeit, entweder in flüssiger Form oder in Form von Dampf oder Gas mit der sogenannten Dampfturbine.
Aufgrund der relativ niedrigen Temperaturen im Rankine-Kreislauf wird dieser Kreislauf als Niedertemperaturkreislauf in thermischen Kraftwerken eingesetzt, die nach einem kombinierten Dampf- und Gaskreislauf betrieben werden.
Auf der anderen Seite wird es im Bereich der Bahntraktion und des Schiffsantriebs schnell außer Gebrauch, verdrängt durch den Dieselmotor und den Elektromotor.
