Як у циклі Ранкіна турбіна виробляє більше енергії, ніж потребує насос?


9

У циклі Ранкіна є котел, у якому вода закипає в перегріту пару. На вході є насос, який подає більше води, а на виході є турбіна, яка набирає енергію стисненої пари.

введіть тут опис зображення

Тиск пари приблизно однаковий щодо турбіни та насоса; тиск секції котла.

Що змушує парну потужність турбіни замість резервного копіювання та змушування насоса повертати назад? - ну, цей простий, потужність подається на насос. Але як тоді турбіна виробляє більше енергії, ніж насос забирає? Насос, зрештою, повинен долати той же тиск, який приводить в рух турбіну, і подавати таку ж кількість води, яка викидається як пара. Мені не вистачає якогось істотного елемента пристрою. Що це?

Відповіді:


6

Тиск є силою / площею, якщо площа, запропонована робочим колесом насоса, менша за площу, проти якої пара повинна змусити себе виходити з котла, і турбіна, і насос пов'язані, то такий же тиск призведе до менша сила на насос, ніж на турбіну.

Приклад:

Припустимо, що насос - поршневий насос, а на паровій стороні - поршневий двигун (для простоти). У певній частині циклу як поршневий насос, так і поршневі клапани двигуна відкриті до котла (насос подає воду в котел, а двигун відводить пар з котла).

«Лицьова сторона» поршня насоса має, скажімо, площу 10 см², тоді як поршень парового двигуна має площу 100 см². Припустимо, тиск на котлі дорівнює 200кПаскаль. Це означає, що поршневі насоса потрібно буде просуватися проти 200000N / M² * 0,001M² = 200N сили. При цьому цей тиск на паровій машині виробляє 200000N / M² * 0,1M² = 20kN. Зрозуміло, що при прямому зв’язку між насосом і двигуном паровий двигун буде виробляти набагато більше сили, ніж потрібно насосу для подачі води всередині котла проти градієнта тиску.

Для порівняння, припустимо, що замість закачування води в котел, насос бере пар і закачує його в котел. Якщо поршень насоса менший (маючи на увазі менший хід або отвір), кількість водної маси, яка виходить з котла через двигун, буде більшою, ніж кількість маси, яка повертається в котел через насос. Якщо б і те, де рівне, двигун не генерував би жодної потужності. Хоча якби насос міг подавати більше котла в котел, ніж він вийшов, у вас було б джерело живлення вище одиниці - тобто, протидія законам термодинаміки. Незабаром у котлі закінчиться маса, щоб нагрітися.

Але оскільки нагнітається всередині котла - це рідка вода, а вода як рідина має набагато більшу щільність, ніж пара (мається на увазі той самий об'єм, що містить більшу масу, ніж рідина, ніж газ - крім того, що рідини мають фіксований об'єм, газ може розширитися), коли цей невеликий об'єм закачується в котел, як вода, теплова енергія, додана в систему, розширить цю масу в пару, який має великий тиск і набагато меншу щільність, щоб отримати ту саму масу води (як пар) з котла через двигун, вам знадобиться набагато більший об'єм, який випромінюється, ніж той, який ви використовували для подачі води всередину, в результаті чого різниця в силах, що справляється цим газом над поршнем насоса (через стовпчик води, що надходить) проти поршня двигуна, визначаючи напрямок у бік руху системи.

Здобули ідею?

Іншими словами, здатність води змінювати фазу і займати більший об'єм, ніж рідина з фіксованим об'ємом, призводить до чистого збільшення потужності в цій системі. Звідки надходить енергія, яка викликає зміну фаз, що потім викликає це збільшення тиску? Це від джерела тепла. Куди йде енергія, відкинута? Він виходить з конденсатора, де пара стає рідкою, втрачаючи об'єм, знову вводиться в котел у вигляді рідини меншого та фіксованого об'єму тощо.

Основна ідея тут - тиск, рівний силі, поділеній на площу.


4

Основна причина полягає в тому, що для стиснення рідини, ніж газу, однаковою різницею тиску потрібно набагато менше енергії. Насос забирає небагато енергії для стиснення води, але величезна кількість енергії вивільняється, коли пар розширюється в турбіні. Ось чому застосовується зміна фаз у ранкінському та суміжних циклах.

Інша річ, яку ви повинні врахувати, полягає в тому, що насосу не потрібно перевищувати потужність турбіни, як ви вже говорили - він повинен лише перевищувати тиск .

Ви можете побачити різницю в енергії між стисненням газу та рідини, дивлячись на таблицю "ентальпія проти тиску".


Але тиск на котел переходить через воду в насос, ось що він не розуміє, як той же тиск не може чинити тиск на насос таким чином, що змушує насос перестати подавати воду?
Хорхе Алдо

Ах, насос розміром так, що він зможе працювати проти проектного тиску котла. Якщо котел працює при 1000 кПа, слід використовувати насос, який може відводити воду, наприклад, 1100 кПа. Таким чином, у котлі завжди є сприятливий градієнт тиску, який рухає пар у правильному напрямку.
Карлтон

Я не вірю в це, якщо обидві системи будуть підключені, тиск буде рівним на всіх підключених судинах. Припустимо, поршневий насос, клапан відкритий до котла, який має 100 кПа. Як насос міг «розряджатися» при 110 кПа? Системи підключені, тиск передаватиметься через воду до поршня насоса, просто.
Хорхе Альдо

Це той самий принцип, що і для двигуна "Брейтон", і брайтон, і райнін потребують способу змусити рідину / газ через силову турбіну, а не назад до компресора / насоса. це вирішується через різницю розмірів у величині турбіни / компресора (турбіна, якщо обертається газом, чинить силу, що змащується, ніж тягнеться в компресор ...)
Хорхе Алдо

1
так, але тиск на розряді насоса дорівнює тиску на вході двигуна. Тут немає різниці в тиску, ключове слово - СИЛИ, однаковий тиск на різні поршні виробляють різні сили, і ось що дозволяє насосу перекачувати воду в систему.
Хорхе Альдо

0

У турбіні є різниця тиску, яка запобігає резервуванню тиску.

http://www.mpoweruk.com/images/rankine_pv.gifЧийсь ідеальний цикл ранжину P-vs-vol На наведеній вище діаграмі між точкою 2 і трьома рідиною рідина проходить через турбіну, яка розширюється при натисканні на турбіну і знижує тиск. Якщо ви проігнорували вал і обертання турбіни, цю точку можна було майже замінити насадкою з таким же впливом на цикл.

З вашого опису це здається, що ви описуєте систему з накопичуваним насосом або ви ігноруєте стадію нагріву / горіння (пункт 4 до точки 1 на моєму графіку). Цей етап - це те, що збільшує тиск системи понад тиск, який створює насос.


"Якщо ви ігноруєте ..." - чи можу я ігнорувати це просто так? Якби була насадка, була б чиста втрата енергії, декомпресія. Якби була поршнева парова машина з великими клапанами, тиск був би резервним після вирівнювання між поршневою камерою та котлом. Все, що знаходиться між ними, - це компроміс між заготовленою потужністю (і стримуванням тиску) і випуском пари через форсунку, що створює втрати. ЯК тиск не підтримується через турбіну, і все ж залишає достатньо енергії, щоб зламати навіть насос?
СФ.

Я маю на увазі "reductio ad absurdum": поставте два однакових, симетричних пристрою, які можуть діяти як насосами, так і турбінами, нагрівач прямо посередині між ними з одного боку, радіатор прямо посередині з іншого боку. З’єднайте їхні вали. Ви навіть можете дати йому початковий поштовх, так що один нагнітає воду, а інший виводиться парою, але моменти відміняються. Звідки береться асиметрія?
СФ.

зачекайте ... я думаю, я бачу, де. Я не впевнений, чи маю рацію, так виправте мене, якщо фантазую. Крутний момент насоса / турбіни пропорційний пересуваному тиску та об'єму , а не масі . Тиск на обох кінцях буде однаковим (зрівняється), але буде набагато більше пари, ніж води, тому водяний насос може здійснити як одне обертання на 100 обертів парової турбіни, так і при цьому кількість води (+ пара) на гаряча сторона залишиться постійною. Більш об'єм при одному тиску = більш зручна робота. Моїй машині знадобиться коробка передач: парова сторона створює менше крутного моменту, ніж інші потреби, але більше об / хв.
СФ.

"Конденсуючи робочу пару пари до рідини, тиск на виході з турбіни знижується, а енергія, необхідна насосному насосу, споживає лише 1% до 3% вихідної потужності турбіни, і ці фактори сприяють підвищенню ефективності циклу. " <Вікіпедія> Насос - це не те, що створює потужність, яку подає турбіна, - це стадія котла / опалення. Енергія рідини зберігається не тільки тиском, створюваним насосом. Енергія в цій системі виробляється на етапі котла / опалення, тому насправді не існує міцного зв’язку між входом насоса і турбіною.
Dopeybob435

Баланс енергії знаходиться між джерелом нагріву і турбіною. upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/be/… На зображенні подивіться розмір W-in насоса проти Qin джерела тепла.
Dopeybob435
Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.