랭킨 사이클
Rankine cycle열역학 |
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랭킨 사이클은 증기 터빈이나 왕복 증기 엔진과 같은 특정 열 엔진이 열원과 열 싱크 사이를 이동할 때 유체로부터 기계적 작업을 추출할 수 있도록 하는 프로세스를 설명하는 이상적인 열역학 사이클입니다.랭킨 사이클은 글래스고 대학의 스코틀랜드 수학 교수인 윌리엄 존 맥쿼른 랭킨의 이름을 딴 것이다.
열 에너지는 터빈을 회전시키기 위해 작동 유체(일반적으로 물)가 고압 가스 상태(증기)로 변환되는 보일러를 통해 시스템에 공급됩니다.터빈을 통과한 후 폐열 에너지가 보일러로 반환되기 전에 거부되기 때문에 유체가 다시 액체 상태로 응축되어 사이클이 완료됩니다.시스템 전체의 마찰 손실은 계산을 단순화할 목적으로 무시되는 경우가 많습니다. 이러한 손실은 일반적으로 열역학 손실보다 훨씬 덜 중요하기 때문입니다. 특히 더 큰 시스템에서는 그렇습니다.
묘사
랭킨 사이클은 화력발전소에서 흔히 볼 수 있는 증기엔진이 전기를 생산하기 위해 연료나 다른 열원의 열에너지를 이용하는 과정을 자세히 설명한다.가능한 열원에는 석탄, 천연가스, 석유와 같은 화석 연료의 연소, 핵분열을 위한 광산 자원의 사용, 바이오매스와 에탄올과 같은 재생 가능한 연료, 또는 집중 태양 에너지와 지열 에너지와 같은 천연 자원의 에너지 포획이 포함됩니다.일반적인 열제거원에는 시설 위 또는 주변의 주변 공기와 강, 연못 및 바다와 같은 수역이 포함된다.
랭킨 엔진의 에너지 이용 능력은 열원과 히트 싱크의 상대 온도차에 따라 달라집니다.차이가 클수록 카르노의 정리에 따라 열 에너지에서 더 많은 기계적 힘을 효율적으로 추출할 수 있습니다.
랭킨 사이클의 효율은 작동 유체의 높은 증발 열에 의해 제한됩니다.압력과 온도가 보일러의 초임계 수준에 도달하지 않는 한, 사이클이 작동할 수 있는 온도 범위는 매우 작습니다. 증기 터빈 입구 온도는 일반적으로 약 565 °C이고 응축기 온도는 약 30 °[citation needed]C입니다.이는 일반적인 발전소의 실제 전체 열 효율이 50% 미만인 것에 비해 터빈에만 약 63.8%의 이론적인 최대 카르노 효율을 제공합니다.이러한 낮은 증기 터빈 진입 온도(가스터빈에 비해)는 랭킨(증기) 사이클이 결합 사이클 가스 터빈 발전소에서 거부된 열을 회수하기 위한 바닥 사이클로 종종 사용되는 이유입니다.
랭킨 엔진은 일반적으로 작동 오일이 재사용되는 폐쇄 루프에서 작동합니다.발전소에서 종종 볼 수 있는 응축된 물방울이 있는 수증기는 (폐루프 랭킨 전원 사이클이 아닌) 냉각 시스템에 의해 생성된다.이 '배기' 열은 아래 T-s 다이어그램에 표시된 사이클의 아래쪽에서 흘러나오는 "Qout"로 나타납니다.냉각탑은 작동유체의 기화잠열을 흡수함과 동시에 냉각수를 대기로 증발시킴으로써 대형 열교환기 역할을 한다.
많은 물질들이 작동 유체로 사용될 수 있지만, 물은 보통 간단한 화학 작용, 상대적인 풍부함, 낮은 비용, 그리고 열역학적 특성 때문에 선택됩니다.작동 중인 증기 증기를 액체로 응축하면 터빈 출구의 압력이 낮아지고 공급 펌프에 필요한 에너지가 터빈 출력 전력의 1% ~ 3%만 소비되며 이러한 요인은 사이클의 효율성을 높이는 데 기여합니다.이러한 이점은 터빈에 수용되는 낮은 증기 온도에 의해 상쇄됩니다.예를 들어, 가스 터빈은 터빈 진입 온도가 1500°C에 근접합니다.그러나 실제 대형 증기 발전소와 대형 현대식 가스 터빈 발전소의 열 효율은 유사하다.
랭킨 사이클의 4가지 프로세스
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랭킨 사이클에는 4개의 프로세스가 있습니다.상태는 T-s 다이어그램에서 숫자(갈색)로 식별된다.
- 프로세스 1 ~ 2:작동 오일은 저압에서 고압으로 펌핑됩니다.이 단계에서는 오일이 액체이기 때문에 펌프는 입력 에너지를 거의 필요로 하지 않습니다.프로세스 1-2는 등엔트로픽 압축입니다.
- 프로세스 2 ~ 3:고압 액체는 보일러로 들어가 외부 열원에 의해 일정한 압력으로 가열되어 건조한 포화 증기가 됩니다.필요한 입력 에너지는 엔탈피-엔트로피 차트(h-s 차트 또는 몰리에 다이어그램)를 사용하여 그래픽으로 쉽게 계산하거나 증기 표 또는 소프트웨어를 사용하여 수치로 계산할 수 있습니다.프로세스 2-3은 보일러에서 일정한 압력의 열을 가하는 것입니다.
- 프로세스 3~4:건조한 포화 증기는 터빈을 통해 팽창하여 전력을 생성합니다.이로 인해 증기의 온도와 압력이 낮아지고 일부 응결이 발생할 수 있습니다.이 프로세스의 출력은 위의 차트 또는 표를 사용하여 쉽게 계산할 수 있습니다.프로세스 3-4는 등엔트로픽 확장입니다.
- 프로세스 4-1:젖은 증기는 응축기로 들어가 일정한 압력으로 응축되어 포화 액체가 됩니다.프로세스 4-1은 응축기에서의 정압 열제거입니다.
이상적인 랭킨 사이클에서는 펌프와 터빈은 등엔트로픽이며, 즉 펌프와 터빈은 엔트로피를 생성하지 않으므로 순작업 출력을 극대화할 수 있습니다.프로세스 1-2와 3-4는 T-s 다이어그램에 수직선으로 표시되며 카르노 사이클과 더 유사하다.여기에 표시된 랭킨 사이클은 터빈의 팽창 후 작동 유체의 상태가 과열 증기 영역에 도달하는 것을 방지하여 응축기에 의해 제거되는 에너지를 줄입니다.
실제 증기 파워 사이클은 유체 마찰 및 주변 열 손실로 인한 고유 구성 요소의 불가역성 때문에 이상적인 랭킨 사이클과 다릅니다. 유체 마찰로 인해 구성 요소 사이의 보일러, 콘덴서 및 파이프에 압력이 떨어지고 그 결과 증기가 낮은 압력으로 보일러에서 나옵니다.e; 열 손실은 순 작업 출력을 감소시키므로, 동일한 수준의 순 작업 출력을 유지하기 위해 보일러의 증기에 열을 추가해야 합니다.
변수
시스템에서 송수신되는 열 유량(단위 시간당 에너지) | |
질량유량(단위시간당 질량) | |
시스템에 의해 소비되거나 시스템에 공급되는 기계적 전력(단위 시간당 에너지) | |
프로세스의 열역학 효율(열입력당 순출력, 무차원) | |
압축(피드 펌프) 및 팽창(터빈) 프로세스의 등엔트로픽 효율, 무차원 | |
T–s 다이어그램에 표시된 지점의 "특정 엔탈피" | |
터빈이 등엔트로픽일 경우 유체의 최종 "특정 엔탈피" | |
압축 프로세스 전후의 압력 |
방정식
일반적으로 단순한 랭킨 사이클의 효율은 다음과 같이 기술할 수 있다.
다음 4개의[1] 방정식은 각각 제어 체적에 대한 에너지 및 질량 균형에서 도출됩니다. \ \}}}}는 사이클의 열역학적 효율을 열입력에 대한 순출력비의 비율로 정의합니다.펌프에 필요한 작업은 터빈 작업 출력의 약 1%이므로 단순화할 수 있습니다.
터빈과 펌프의 효율성을 다룰 때 작업 조건을 조정해야 합니다.
Real Rankine 사이클(이상적이지 않음
실제 발전소 사이클("랭킨" 사이클이라는 이름은 이상적인 사이클에만 사용됨)에서 펌프에 의한 압축과 터빈의 팽창은 등엔트로픽하지 않습니다.즉, 이러한 프로세스는 되돌릴 수 없으며 두 프로세스 사이에 엔트로피가 증가합니다.그러면 펌프에 필요한 출력이 다소 증가하고 터빈에 의해 생성되는 전력은 감소합니다.
특히 증기 터빈의 효율은 물방울 형성에 의해 제한될 것이다.물이 응축되면 물방울이 터빈 블레이드에 빠른 속도로 부딪히면서 피팅과 침식을 일으켜 터빈 블레이드의 수명과 터빈의 효율을 점차 감소시킵니다.이 문제를 해결하는 가장 쉬운 방법은 증기를 과열하는 것입니다.위의 T-s 다이어그램에서 상태 3은 증기와 물의 2상 영역의 경계에 있으므로 팽창 후 증기는 매우 젖게 된다.과열하면 상태 3이 다이어그램에서 오른쪽으로(및 위로) 이동하므로 팽창 후 더 건조한 증기가 생성됩니다.
기본 랭킨 사이클의 변화
전체 열역학적 효율은 평균 열 입력 온도를 높임으로써 향상될 수 있습니다.
그 순환의.과열 영역으로 증기 온도를 높이는 것은 간단한 방법입니다.이러한 방법으로 사이클의 열효율을 높이기 위해 설계된 기본적인 랭킨 사이클의 변형도 있습니다.이 중 2개는 아래에 설명되어 있습니다.
재가열 시 랭킨 사이클
재가열 사이클의 목적은 팽창 프로세스의 마지막 단계에서 증기에 의해 운반되는 수분을 제거하는 것입니다.이 변형에서는 두 개의 터빈이 직렬로 작동합니다.첫 번째는 보일러에서 나오는 증기를 고압으로 받아들인다.증기는 첫 번째 터빈을 통과한 후 보일러로 다시 들어가 두 번째 저압 터빈을 통과하기 전에 재가열됩니다.재가열 온도는 흡기 온도와 매우 가깝거나 동일한 반면, 필요한 최적 재가열 압력은 원래 보일러 압력의 1/4에 불과합니다.다른 장점들 중에서, 이는 증기가 팽창하는 동안 응결되는 것을 방지하고 터빈 블레이드의 손상을 줄여주며, 사이클로 유입되는 열 흐름이 더 높기 때문에 사이클의 효율성을 향상시킵니다.재가열 사이클은 1920년대에 처음 도입되었지만 기술적인 문제로 인해 오랫동안 작동하지 않았습니다.1940년대에 고압 보일러의 생산이 증가하면서 다시 도입되었고, 결국 1950년대에 이중 가열이 도입되었다.이중 재가열 뒤에 있는 아이디어는 평균 온도를 높이는 것입니다.다음 단계는 이전 단계의 절반만 사이클 효율을 증가시키기 때문에 일반적으로 2단계 이상의 재가열은 불필요하다는 것이 관찰되었습니다.오늘날 이중 재가열은 초임계 압력 하에서 작동하는 발전소에서 일반적으로 사용됩니다.
회생 랭킨 사이클
회생 랭킨 사이클은 응축기(아마도 과냉각된 액체)에서 나온 후 작동 유체가 사이클의 뜨거운 부분에서 탭된 증기에 의해 가열되기 때문에 붙여진 이름입니다.그림에서 2의 유체는 4(양쪽 모두 동일한 압력)의 유체와 혼합되어 7의 포화 액체로 끝납니다.이를 "직접 가열"이라고 합니다.재생 랭킨 사이클(소형 변형 포함)은 실제 발전소에서 일반적으로 사용됩니다.
또 다른 변형은 터빈 단계 사이의 블리딩 증기를 급탕기로 보내 응축기에서 보일러로 가는 물을 예열합니다.이러한 히터는 입력 증기와 응축수를 혼합하지 않고 일반적인 관형 열 교환기 역할을 하며 "폐쇄 급수 히터"라고 불립니다.
회생은 회생 급수 가열 없이 비교적 낮은 급수 온도에서 보일러/연료 소스에서 발생하는 열을 제거함으로써 사이클 열 입력 온도를 증가시킵니다.이렇게 하면 사이클로 유입되는 열의 양이 더 많아지기 때문에 사이클의 효율성이 향상됩니다.
유기 랭킨 사이클
유기 랭킨 사이클(ORC)은 물과 증기 대신 n-펜탄이나[1] 톨루엔과[2] 같은 유기 유체를 사용합니다.이를 통해 일반적으로 약 70-90°C에서 작동하는 태양열 연못과 같은 [3]저온 열원을 사용할 수 있다.낮은 온도 범위로 인해 사이클의 효율은 훨씬 낮지만, 이는 낮은 온도에서 열을 모으는 데 필요한 비용이 낮기 때문에 가치가 있을 수 있습니다.또는 물 위에 끓는점이 있는 유체를 사용할 수 있으며, 이는 열역학적 이점을 가질 수 있습니다(예: 수은 증기 터빈 참조).실제 작동 유체의 특성은 팽창 단계 이후의 증기 품질(증기)에 큰 영향을 미치며 전체 사이클 설계에 영향을 미칩니다.
랭킨 사이클은 정의상 작동 유체를 제한하지 않기 때문에 "유기 사이클"이라는 이름은 마케팅 개념일 뿐이며 사이클을 별도의 열역학 사이클로 간주해서는 안 됩니다.
초임계 랭킨 사이클
초임계[4] 유체를 사용하여 적용된 랭킨 사이클은 열 재생 및 초임계 랭킨 사이클의 개념을 RGSC(재생 초임계 사이클)라는 통합 프로세스에 결합합니다.125~450°C의 온도원에 최적화되어 있다.
「 」를 참조해 주세요.
레퍼런스
- ^ Canada, Scott; G. Cohen; R. Cable; D. Brosseau; H. Price (2004-10-25). "Parabolic Trough Organic Rankine Cycle Solar Power Plant" (PDF). 2004 DOE Solar Energy Technologies. Denver, Colorado: US Department of Energy NREL. Archived from the original (PDF) on 2009-03-18. Retrieved 2009-03-17.
- ^ Batton, Bill (2000-06-18). "Organic Rankine Cycle Engines for Solar Power" (PDF). Solar 2000 conference. Barber-Nichols, Inc. Archived from the original (PDF) on 2009-03-18. Retrieved 2009-03-18.
- ^ Nielsen et al., 2005, Proc.태양 에너지 SOC(Into Solar Energy Soc)
- ^ Moghtaderi, Behdad (2009). "An Overview of GRANEX Technology for Geothermal Power Generation and Waste Heat Recovery". Australian Geothermal Energy Conference 2009. Inc.
- ^Van Wylen '열역학 기초' (ISBN 85-212-0327-6)
- ^Wong '엔지니어를 위한 온도역학', 2012년 2월 2일, CRC Press, Taylor & Francis, Boca Raton, 런던, 뉴욕 (ISBN 978-1-4398-4559-2)
- Moran & Shapiro '열역학 엔지니어링 기초' (ISBN 0-471-27471-2)
- Wikibooks 엔지니어링 열역학