دوم فصل

(Vapor power cycles) تراکمي قدرت مولد هاي سيکل

- مقدمه1

نيروگاهه��اي ک��ار تئوري��ك اس��اس ت��راکمي ق��درت توليد سيکلهاي

س��يکل توربين از مکانيکي قدرت نيروگاهها اين است. در حرارتي

ب��ه آنج��ا در ش��ده لننتق��م ژنرات��ور ب��ه ق��درت مولد ترموديناميکي

ميگردد. تبديل الکتريکي درتق

Carnot) وک�ارن ق��درت تولي�د سيکل Heat Engine)ي�ک بعن�وان

ي��ک توس��ط ت��راکمي ق��درت تولي��د س��يکلهاي براي آل ايده سيکل

گرديد. ش��ماي ارائه1824 سال در نوکار بنام فرانسوي دانشمند

ن��يز و وک��ارن ت��راکمي ق��درت مول��د س��يکل ه��اي دس��تگاه ظاهري

نش��ان زي��ر ش��کل درTs هاي دياگرام در آن ترموديناميکي نمودار

است. شده داده

وکارن سيکل - مشخصات2

(Reversible adiabatic compression) ايزنتروپيک تراکم تحول1-2 تحول

Reversible) پ���ذير برگش���ت ايزوت���رم تح���ول2-3 تح���ول isothermal

heating)

(Reversible adiabatic expansion) انتروپيک انبساط تحول3-4 تحول

(Reversible isothermal cooling) پذير برگشت پذيري تحول4-1 تحول

وکارن سيکل عملي هاي محدوديت- 3

ب��االترين ک��ارنو س��يکل ترمودينامي��ک دوم ق��انون مط��ابق چ��ه اگر

ب��دليل آن ان��دازي راه و س��اخت ام��ا داراس��ت را حرارتي راندمان

باشد. نمي ممکن زير عملي هاي محدوديت

مايع و بخار ( مخلوط1-2 )تحول تروپيکنايز کردن کمپرسالف:

(Wet steam)است ممکن غير سيب هچ و مشکل .

و مش��خص ح��الت ت��ا کندانسور در عامل سيال نمودن تقطيرب:

غير عمال و دارد الزم را زيادي العاده فوق ( دقت4-1 )تحول ثابت

باشد.مي ممکن

ک��ه است وابسته سيکل ايدم حداکثر به وکارن سيکل ج: راندمان

)ب��راي باش��د مي محدود و داشته بستگي عامل سيال به خود اين

باش��د آب عام��ل س��يال وق��تي س��يکل ممکن يدم��ا حداکثر، مثال

705 F است.)

ارائ��ه وک��ارن س��يکل ترمودين��اميکي آن��اليزI ترمودينامي��ک در قبال

زي��ر بصورت سيکل اين حرارتي راندمان که شد مشاهده و گرديد

ميباشد.

وک��ارن ح��رارتي موت��ور ،عملي يه��ا مح��دوديت وج��ود رغم علي

و ه��ا پروس��ه گي هوي��ژ نظ��ر )از آلي اي��ده س��يکل ي��ک بعن��وان

ق��رار عملي ق��درت تولي�د ه�اي س�يکل الگ�وي موثر( پارامترهاي

است. شده داده

وکارن سيکل مورد در اشاره قابل نکته چند- 4

س��رد و گ��رم مش��خص منب��ع دو بين ک��ه وک��ارن سيکل - راندمان1

باشد. مي سيکل عامل سيال از مستقل نمايد عمل

س��رد و گ��رم مش��خص منب��ع دو بين ک��ه وک��ارن سيکل - راندمان2

منب��ع دو همان بين که ديگري سيکل نوعهر راندمان از نمايد عمل

است. بيشتر کند کار

عمل مشخص و ثابت منبع دو بين که ئيوکارن هاي سيکل - همه3

باشند. مي يکساني حرارتي راندمان داراي نمايند

4 -COPگ��رم و س��رد منبع دو بين که يوئکارن يخچال يا پمپ هر

ميباشد. آن عامل سيال از مستقل نمايد عمل

5 -COPث��ابت مش��خص منب��ع دو بين که يوئکارن يخچال يا پمپ

هم�ان بين ک�ه ديگ�ري يخچ�ال يا پمپ نوع هرCOP از نمايد عمل

است. بيشتر نمايد عمل منبع دو

و مش��خص منبع دو بين که يوئکارن هاي يخچال و ها پمپ - همه6

ميباشند. يکسانيCOP داراي نمايند عمل حرارتي ثابت

ديگ��ر ه��اي فص��ل در يخچاله��ا و ح��رارتي ه��اي پمپ ب��ا رابط��ه در

شد. خواهد داده توضيح مفصال

Simple Rankine Power) ساده رانکين قدرت توليد سيکل- 5

Cycle)

سيکل يافته تغيير عينوب که است عملي سيکل يک رانکين سيکل

ميباشد. نوکار تراکمي

x) اش��باع مايع حد تا درکندانسور عامل سيال رانکين سيکل در =

0% بص��ورت س��يکل در ح��رارت انتق��ال اين .مي ش��ود ( س��رد

ه��اي دس��تگاه ظ��اهري ميگ��يرد. مث��ال صورت ثابت فشار پروسه

رد آن ترمودين��اميکي نم��ودار ن��يز و رانکين س��يکل دهنده تشکيل

است. شده داده نشان زير شکل درTs دياگرم

ميباشد: زير بشرح تحول چهار داراي رانکين سيکل

( isentropic compression) پمپ در ايزنتروپيک تحول 2-1

isobaric) ب���ويلر در ث���ابت فش���ار گ���رايش تح���ول3-2 heat

addition)

( isentropic expansion)توربين در ايزنتروپيک تحول 4-3

isobaric heat) کندانسور در ثابت فشار سرمايش تحول 1-4

removing)

است. زير صورتب رانکين کليس ترموديناميکي آناليز

داريم:1-2 تحول براي

داريم: باشد اتيکبيادآ پمپ در تحول نچر و

داريم ديگر طرف از

:T.ds اول رابطه

PdvTds = du+

تالپي: آن تعريف مطابق

که داد نشان ميتوان لذا و

u و نهايتا

باشد: مي ايزنتروپيک تحول چون و

داريم: 2-3 تحول براي

: داريم3-4 تحول براي

: داريم کندانسور4-1 تحول براي

: با ميگردد برابر سيکل حرارتي راندمان و

(back work ratio) خروجي کار به ديروو کار نسبت

باشد. مي تعريف زير بصورت نسبت اين

ه��ر ک��ه پمپ ي��ک اب مقايسه در کمپرسور يک مصرفي کار که است بديهي

)ب��دليل باش��د می بيش��تر مراتب به دارند سانیيک فشار اختالف دو

ويژه( حجم ودنب بيشتر

منب��ع دم��اي ک��اهش که شد مشاهده وکارن سيکل بررسي در که همانگونه

می ح��رارتي ران��دمان اف��زايش ب��اعث گ��رم منب��ع دم��اي اف��زايش يا سرد

و کندانس��ور دماي کاهش که با که نمود استنتاج ميتوان ايده اين از گشت

يافت. خواهد افزايش ساده رانکين سيکل راندمان ويلرب دماي افزايش

ش��کل در رانکين س��يکل ران��دمان بر فشار( کندانسور )يا دما کاهش تاثير

. است شده داده نشان زير

ک��اهش ميش��ود مش��اهده خ��ورده هاش��ور س��طح از که همانگونه

از کندانس��ور در هش��د دفع حرارت کاهش باعث کندانسور فشار

گردي��ده ديگ��ر ط��رف از خ��روجي خ��الص کار افزايش و يکطرف

دارن�د. اين ح�رارتي ران�دمان اف��زايش ب�ر داللت دو هر که است

ميگردد. تردمشهو زير مثال به توجه با کمي بصورت موضوع

بين دم�اي اختالف ش�دن کم ب�دليل ک�ه اس�ت ذکر قابل بهرحال

از را کندانس��ور فش��ار ت��وان نمي ردس منبع دماي و عامل سيال

در معم��وال ها کندانسوردر عملكرد دماي) ترآمد پائين معيني حد

فش��اري با )متناظر باشد مي سانتيگراد درجه 45 تا25 حدود

( است پائين نسبتا که اتمسفر0.03 تا 0.1 معادل

ب�اعث يلروب� فش�ار اف��زايش ي�ا کندانس�ور فشار کاهش چه اگر

.ميگ��ردد رانکين س��يکل ح��رارتي ران��دمان و خالص کار افزايش

ايجاد باعث توربين از خروجي اربخ کيفيت کاهش ،مقابل در اما

ران��دمان ک��اهش ت��وربين، ه��اي هپ��ر خ��وردگي همچون مشکالتي

ش�ود. از داده ق��رار توج�ه م�ورد باي�د ک�ه گ�ردد ... مي و توربين

ب��ا رانکين س��يکل از س��اده رانکين س��يکل از استفاده بجاي اينرو

مي شود. استفاده(Superheater) بويلر از خروجي بخار کن داغ

(superheating) بخار کن داغ با رانکين سيکل- 7

ترمودين��اميکي نمودار و سوپرهيتر با رانکين سيکل ظاهري نماي

است. شده داده نشان زير شکل درT-S دياگرام در آن

خ��روجي بخ��ار دم��اي ب��ويلر فش��ار اف��زايش ب��دون ت��رتيب ب��دين

س��انتيگراد درج��ه 600ح��دود ت��ا کن داغ در ثابت فشار بصورت

ميباشد. مفيد رابطه اين در زير مثالمي شود. داده افزايش

(reheating) مجدد گرايش با رانکين سيکل- 8

افزايش آن بهمراه و ) کن داغ از بخار خروجي دماي افزايش در

اولي��ه هاي هزينه و ژيکيرمتالو هاي محدوديت بويلر( نبايد فشار

ب�راي ب�ويلر فش�ار اف�زايش ك�ه مض�افا. داش�ت دور نظ�ر از را

ث��ابت معي��ني ح��د در باي��د بخ��ار خروجي دماي ماکزيمم که وقتي

بخ��ار کيفيت ک��اهش ب��اعثژيکي( رمت��الو مس��ائل )ب��دليل باش��د

نظ��ر اين گ��ردد. از مي آف��رين مش��کل ل��ذا و ت��وربين از خروجي

است. در گرديده مطرح بخار گرمکن باز به مجهز رانکين سيکل

ت��وربين در کامل بطور شد نخواهد داده اجازه بخار به سيکل اين

از انبس��اط از اي مرحل��ه در آن از قس��متي بلک��ه ش��ده منبس��ط

ب��ه دي��ده ح��رارت ث��ابت فش��ار در بويلر در مجددا و خارج توربين

وارد بخ��ار اين سپس.مي شود رسانده نظر دمور ماکزيمم دماي

از توربين اينرو . ازگردد منبسط کندانسور فشار تا گشته توربين

ش��ماي ميشود. ساخته پائين فشار و باال فشار مختلف قسمتهاي

ترمودين��اميکي نم��ودار و ج��ددم گرمکن يا رانکين سيکل ظاهري

است. شده داده نشان زير شکل درT-S دياگرام در آن

ب��راي بخ��ار آن در ک��ه فش��اري انتخ��اب ک��ه اس��ت ذک��ر ب��ه الزم

ب��االئي اهميت از گ��ردد مي خ��ارج ت��وربين از مج��دد گرم��ايش

مرحل��ه دم��اي متوس��ط اس��ت ممکن ک��هرا چ.اس��ت برخ��وردار

و کم��تر ابتدائي مرحله يشماگر دماي متوسط از مجدد يشماگر

ب�اعث مناس�ب ح�الت گ�ردد. انتخ�اب کم�تر حرارتي ندمانرا لذا

از خ��روجي بخ��ار کيفيت و س��يکل حرارتي راندمان توأم افزايش

ميگردد. توربين

ب��ه منحص��رP4 ازاي ب��هP6 وP3 ، T3، T3 ث��ابت مق��ادير ب��راي

درP4/P3 ميگ��ردد. معم��وال م��اکزيمم ح��رارتي ران��دمان ،ف��ردي

با رانکين سيکل ميشود. راندمان انتخاب0.35 - 0.15 محدوده

گردد. مي محاسبه زير بصورت جددم گرايش

است آن در که

نش��ان را بخ��ار مج��دد ك��ردن گ��رم ت��اثير رابط��ه اين در زير مثال

ميدهد.

(Regenerating) بازياب با رانکين سيکل- 9

تبخ��ير مرحل��ه دم��اي متوس��ط بخار، كن داغ با رانکين سيکل در

نک داغ در بخ��ار ش��دن داغ مرحل��ه دم��اي و بويلر در عامل سيال

ورودي س��يال گرمايش مرحله متوسط دماي از توجه قابل بطور

اين ميباشد. چنانچه بيشتر ان در سيال تبخير دماي نيز و بويلر به

ب��ويلر ب��ه ورودي م��ايع دم��اي متوس��ط چنانچ��ه ك��ه اس��ت بديهي

ميگ��ردد. س��يکل ح��رارتي راندمان افزايش به منجر يابد افزايش

پ��ذير امک��ان بازي��اب دس��تگاه ب��ردن بک��ار طري��ق از عم��ل اين

نم��ودار و بازي��اب با سيکل هاي دستگاه ظاهري مي شود. شماي

ش��ده داده نش��ان زي��ر شکل درTs دياگرام در آن ترموديناميکي

است.

عام��ل( در )س��يال بخار از قسمتي ميشود مشاهده که همانگونه

فش��ار ت��ا آن بقي��ه و ( خ��ارج4 ح��الت )در ت��وربين از اي مرحل��ه

بخار از قسمت گردد. اين مي منبسط( 5 حالت )در کندانسور

ش��ده تب��ديل م�ايع ب�ه و س��رد6 ح�الت ت�ا و شده کندانسور وارد

حالت فشار تا(Condensate pump) تقطير پمپ توسط سپس

استخراج بخار با عامل سيال از قسمت ميشود. اين فشرده 7

آب گ�رمکن ن�ام ب�ه دس�تگاهي ( در6 ح�الت )در ت�وربين از شده

Feedwater) تغذي��ه heater)داخلي ح��رارت تب��ادل (internal

heating)مي شود. پمپاژ بويلر به شدن گرم از پس نموده

مس��تقيم )تماس باز دونوع در )بازياب( ميتواند تغذيه آب گرمکن

اس��تفاده ( موردسيال دو مستقيم غير )تماس بسته ( و سيال دو

.باشد

فوق شکل در که(Open direct - contact heater) باز نوع در

در مس��تقيما تقط��ير پمپ از خ��روجي س��يال ، ش��ده داده نش��ان

ک��ه ميگ��ردد مخل��وط چن��ان ت�وربين از ش��ده خارج بخار با بازياب

در ، ب��رعكسباش��د. اش��باع ( م��ايع1 )ح��الت بازي��اب از خ��روجي

Feed) کندانس�ور از خ�روجي س��يال بس�ته، ن�وع بازي�اب water

from condenser)مستقيم تماس )بازياب( در حرارتي مبدل در

داخلي چ��ه اگ��ر حرارت تبادل نگرفته قرار شده استخراج بخار با

نمي مخلوط همديگر با سيال در اما کلي( است سيکل منظر )از

بازياب از خروج از پس توربين از شده خارج بخار ايجا شوند. در

اس�تفاده م�ورد زي�ر شکل در شد داده نشان متمايز طريق دو به

ميگيرد. قرار

closed) بسته بازياب اصلي مزيت feedwater heater)نس��بت

آب فشار که است آن(Open feedwater heater) باز بازياب به

فش��ار ب��ا ميتوان��د ،مي شود بازياب وارد که کندانسور از خروجي

extracted) ت��وربين از ش��ده اس��تخراج بخ��ار steam)متف��اوت

ب��از ن��وع ب��ه نس��بت ب��االتري فشار در معموال بسته باشد. بازياب

است آن باز بازياب ديگر باشد. مزيت مي گرانتر لذا دنميک عمل

ش��ود انتخاب ميزاني به ميتواند توربين از شده استخراج بخار که

فش��ار ب��ا متن��اظر اشباع دماي تا را کندانسور از خروجي مايع که

سردکند. بازياب

رانکين سيکل تحليل و تجزيه چگونگي خصوص در زير هاي مثال

گردد. مي ارائه موضوع شدن روشن جهت بسته و باز بازتاب با

در تDDوربين از شDDده اسDDتخراج بخDDار بهينDDه فشDDار- 10

بازياب با سيكل

گانهچند هاي ابيباز از استفاده با رانکين سيکل- 11

رانکين سيکل عملکرد در ناپذيري برگشت تاثير- 12

و ه��ا تالش پيوس��ته بط��ور ک��ه ش��د متذکر بايد فصل اين پايان در

س��يکل ران��دمان بنح��وي ت��ا اس��ت گرفته صورت زيادي تحقيقات

حاصل خوبي نتايج و ابتکارات رابطه اين يابد. در افزايش رانکين

خ��ودداري اينج��ا در آنه��ا توضيح از اختصار جهت که است گرديده

بيش��تر اطالع��ات کس��ب جهت ميش��ود توص��يه ميگ��ردد. ص��رفا

گيرد. قرار العهمط مورد1 شماره ضميمه

Exercises: