Thermodynamik.
Energieumwandlung

I Verbrennung thermische Energie.
Auswirkungen der Thermodynamik

Entropy

Rankine-Zyklus

Rankine-Zyklus

Der Rankine-Zyklus ist ein thermodynamischer Zyklus, der sich aus zwei isoentropischen Transformationen und zwei Isobaren zusammensetzt. Ihr Zweck ist es, Wärme in Arbeit umzuwandeln. Es ist die Grundlage für die Konstruktion von Dampfmaschinen aller Art.

Dieser Kreislauf wird in der Regel hauptsächlich in thermoelektrischen Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie angewendet und verwendet Wasser als Motorflüssigkeit, entweder in flüssiger Form oder in Form von Dampf oder Gas, mit der sogenannten Dampfturbine. Zu diesem Zweck wird Wasser demineralisiert und ordnungsgemäß entgast.

Andererseits gerät es im Bereich der Eisenbahn- und Schiffsantriebe, ersetzt durch den Dieselmotor und den Elektromotor, rasch in Vergessenheit. Stattdessen ist es nach wie vor unverzichtbar für die Ausrüstung von Nuklearmotoren (Kraftwerke, U-Boote und Flugzeugträger).

Der Rankine-Zyklus kann sein:

Offener Rankine-Kreislauf, also mit der Abgabe von Dampf in die Atmosphäre (wie es bei den alten Dampflokomotiven der Fall war, die neben Kohle auch Wasser transportieren mussten).

Geschlossener Rankine-Kreislauf, wie bei thermoelektrischen Anlagen, einschließlich Kombianlagen. Die Restwärme der Dampfkondensation (KWK) kann genutzt und sogar durch ein städtisches Heizungsnetz transportiert werden.

Die vier Prozesse im Rankine-Zyklus

Entropietemperaturdiagramm des Rankine-Zyklus

Es gibt vier thermodynamische Prozesse im Rankine-Zyklus. Die Zustände sind im TS-Diagramm (Temperatur-Entropie) durch Zahlen (in braun) gekennzeichnet.

Prozess 1–2: Das Arbeitsmedium wird von niedrigem auf hohen Druck gepumpt. Da das Fluid zu diesem Zeitpunkt eine Flüssigkeit ist, benötigt die Pumpe wenig Eingangsenergie.

Mit anderen Worten, Prozess 1-2 beinhaltet eine isentrope Kompression in dem pumpenisentropen Prozess.

Prozess 2–3: Die Hochdruckflüssigkeit gelangt in einen Kessel, wo sie durch einen isobaren Prozess von einer externen Wärmequelle auf einen konstanten Druck erwärmt wird, um einen gesättigten trockenen Dampf zu erhalten. Die erforderliche Eingangsenergie kann einfach grafisch mithilfe eines Enthalpie-Entropie-Diagramms (hs-Diagramm oder Mollier-Diagramm) oder numerisch mithilfe von Dampftabellen berechnet werden.

Mit anderen Worten ist Prozess 2-3 die Zugabe von Wärme bei konstantem Druck in den Kessel, ein isobarer Prozess.

Prozess 3–4: Gesättigter trockener Dampf dehnt sich durch eine Dampfturbine aus und erzeugt Energie. Aus thermodynamischer Sicht werden dadurch die Temperatur und der Druck des Dampfes herabgesetzt, und es kann zu einer gewissen Kondensation kommen. Die Ausgabe in diesem Prozess kann einfach anhand der oben angegebenen Grafiken oder Tabellen berechnet werden.

Mit anderen Worten, Prozess 3-4 ist ein isentropischer Turbinenexpansionsprozess, ein isentropischer Prozess.

Prozess 4–1: Nasser Dampf tritt in einen Kondensator ein, wo er bei konstantem Druck zu einer gesättigten Flüssigkeit kondensiert.

Mit anderen Worten, Prozess 4-1 ist die Abgabe von Wärme bei konstantem Druck im isobaren Prozess des Kondensators.

In einem idealen Rankine-Zyklus wären Pumpe und Turbine isentrop, das heißt, Pumpe und Turbine würden keine Entropie erzeugen und daher die Nettoarbeitsproduktion maximieren. Die Prozesse 1–2 und 3–4 werden im TS-Diagramm durch vertikale Linien dargestellt und ähneln eher dem Carnot-Zyklus. Der hier gezeigte Rankine-Kreislauf verhindert, dass der Zustand des Arbeitsmediums nach Expansion in der Dampfturbine in den Bereich des überhitzten Dampfes gelangt, wodurch die von den Kondensatoren abgegebene Energie reduziert wird.

Der tatsächliche Dampfenergiekreislauf weicht vom idealen Rankine-Kreislauf ab, da die inhärenten Komponenten aufgrund von Flüssigkeitsreibung und Wärmeverlust in der Umgebung irreversibel sind. Die Reibung des Fluids verursacht Druckabfälle im Kessel, im Kondensator und in der Leitung zwischen den Bauteilen. Infolgedessen verlässt der Dampf den Kessel mit einem niedrigeren Druck. Der Wärmeverlust verringert die Nettoarbeitsproduktion, daher ist die Zufuhr von Dampfwärme zum Kessel erforderlich, um das gleiche Niveau der Nettoarbeitsproduktion aufrechtzuerhalten.

Rankin Bio-Kreislauf

Ein organischer Rankin-Zyklus oder ORC ist ein Rankin-Prozess mit einem organischen Lösungsmittel wie Propan, Isobutan, Isopentan oder Ammoniak anstelle von Dampf. Hierfür wird häufig eine Turbine eingesetzt. Da ein organisches Lösungsmittel einen niedrigeren Siedepunkt als Wasser hat, ermöglicht der organische Rankin-Kreislauf die Energieextraktion von einer niedrigeren Temperatur auf 100 ° C. Daher ist dieser Kreislauf besonders zur Nutzung von Restwärme geeignet.

Funktionsprinzip des Rankin-Bio-Kreislaufs

Das Funktionsprinzip des Rankin-Bio-Kreislaufs ist dasselbe wie das des Rankin-Kreislaufs: Das Arbeitsfluid wird zu einem Kessel gepumpt, wo es verdampft, durch eine Expansionsvorrichtung (Turbine oder anderer Expander) und dann durchgeleitet wird ein Kondensatorwärmetauscher, wo es schließlich wieder kondensiert. Im beschriebenen idealen Zyklus theoretisches Modell des Motors, isentropische Expansion und thermodynamische Prozesse der Verdampfung und isobaren Kondensation. In einem realen Zyklus verringert das Vorhandensein von Irreversibilität die Effizienz des Zyklus. Diese Irreversibilitäten treten hauptsächlich während der Expansion und in Wärmetauschern auf.

Irreversibilitäten während der Expansion: Dann wird nur ein Teil der Energie gewonnen und die Druckdifferenz wird zur Nutzarbeit. Der andere Teil wird heiß und geht verloren. Die Effizienz des Expanders wird durch Vergleich mit einer Expansion durch einen isentropen Prozess bestimmt.

Irreversibilitäten in Wärmetauschern: Die Flüssigkeit nimmt einen langen und gewundenen Weg, der einen guten Austausch von Wärmeenergie garantiert, aber dafür sorgt, dass der Druck abfällt, was zu einer geringeren Energiemenge im Kreislauf führt. Die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle / Sumpf und Arbeitsmedium erzeugt ebenfalls Exergie und verkürzt die Zykluszeiten.

Im Falle einer "trockenen Flüssigkeit" kann der organische Kreislauf von Rankin unter Verwendung eines Regenerators verbessert werden, da die Flüssigkeit am Ende der Expansion nicht den zweiphasigen Zustand erreicht, sondern die Temperatur an diesem Punkt höher als die Kondensationstemperatur ist. Diese höhere Temperatur kann verwendet werden, um die Flüssigkeit vor dem Eintritt in den Verdampfer zu erwärmen. Daher ist zwischen dem Expanderauslass und dem Verdampfereinlass ein Rückflusswärmetauscher montiert. Die benötigte Leistung der Wärmequelle wird halbiert und der Wirkungsgrad erhöht.

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Geändert am: 27. August 2019