8.5 Cycles de puissance Rankine

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Figure 8.11: Cycle de puissance de Rankine avec fluide de travail à deux phases

Un schéma des composants d’un cycle de Rankine est affiché dans l’image 8.11. Le cycle est indiquée sur le , et coordonnées dans la Figure 8.12.Les processus du cycle de Rankine sont les suivants:

$dd\rightarrow e$ : Liquide froid à température initiale est mis sous pression de manière réversible à une haute pression par une pompe. Dans ce processus, le volume changelégèrement.
$ee\rightarrow a a$ : Chauffage réversible à pression constante dans une chaudière à température .
$aa\rightarrow b b$ : Chaleur ajoutée à température constante (pression constante), avec transition du liquide en vapeur.
$bb\rightarrow c$$ : Expansion isentropique à travers une turbine. La qualité diminue de unity atpoint à .
$c\rightarrow d$ : Attemperature condensée du mélange liquide-vapeur en extrayant de la chaleur.

Figure 8.12: Diagramme de cycle de Rankine.Les stations correspondent à celles de la figure 8.11

Dans le cycle de Rankine, la température moyenne à laquelle la chaleur est fournie est inférieure à la température maximale, , de sorte que l’efficacité est inférieure à celle d’un cycle de Carnot fonctionnant entre les mêmes températures maximales et minimales. L’absorption de chaleur a lieu à une pression constante sur , mais seule la partie est isotherme.La chaleur rejetée se produit sur ; c’est à la fois à température et à pression constantes.

Pour examiner l’efficacité du cycle de Rankine, nous définissons une température moyenne efficace, , en termes de chaleur échangée et de différences d’entropie:

$\displaystyle q_H$	$\displaystyle = T_{m2} \Delta s_2$
$\displaystyle q_L$	$\displaystyle = T_{m1}\Delta s_1.$

The thermal efficiency of the cycle is

$\displaystyle \eta_\textrm{thermal} = \frac{T_{m2} (s_b - s_e)- T_{m1} (s_c- s_d)}{T_{m2} (s_b - s_e)}.$

Les processus de compression et d’expansion sont isentropiques, de sorte que les différences d’intropie sont liées par

$\\displaystyle s_b-s_e=s_c-s_d.$

L’efficacité thermique peut être écrite en termes de températures effectives moyennes comme

$\\ les paramètres de l'affichage sont les suivants: \eta_\textrm{thermal} = 1-\frac {T_{m1}}{T_{m2}}.$$

Pour le cycle de Rankine, $TT_{m1}\approx T_1$ , $TT_{m2}T_2$ . De cette équation, nous voyons non seulement la raison pour laquelle l’efficacité du cycle est inférieure à celle d’un cycle de Carnot, mais la direction à suivre entre les cycles de conception (augmentation $T T_{m2}$ ) si nous voulons augmenter l’efficacité.

Il y a plusieurs caractéristiques qui devraient être noté aboutFigure 8.12 et le cycle de Rankine en général:

Le et le diagrammes ne sont pas similaires dans la forme, comme theywere avec le gaz parfaits constante avec les chaleurs spécifiques. La pente d’une ligne d’addition de chaleur réversible à pression constante est, comme dérivée au chapitre 6,
$\\displaystyle\left(\frac {\partial h}{\partial s} \right) _P= T. T$

Dans la région à deux phases, une pression constante signifie également une température constante, de sorte que la pente de la ligne d’addition de chaleur à pression constante est constante et la ligne est droite.
L’effet desirreversibilités est représenté par la ligne pointillée de . Irréversible comportement lors de l’expansion des résultats dans un valueof entropie $s_{c'}$'}$ à la fin de l’état de la balise expansion ishigher que la . L’enthalpie à la fin de l’expansion (sortie de la turbine) est donc plus élevée pour le processus irréversible que pour le processus réversible, et, comme on le voit pour le cycle de Brayton, le travail de la turbine est donc plus faible dans le cas irréversible.
Le cycle de Rankine est moins efficace que le cycle de Carnot pour des températures maximales et minimales données, mais, comme dit précédemment, il est plus efficace comme un dispositif de production d’énergie pratique.