Bagaimana dalam siklus Rankine, turbin menghasilkan lebih banyak daya daripada yang dibutuhkan pompa?

Dalam siklus Rankine ada boiler di mana air direbus menjadi uap yang terlalu panas. Pada input ada pompa yang memberikan lebih banyak air, dan pada output ada turbin yang mengambil energi dari uap yang terkompresi.

Tekanan uap kira-kira identik dengan turbin dan pompa; tekanan bagian boiler.

Apa yang membuat tenaga uap turbin bukannya mundur dan memaksa pompa untuk mundur? - yah, ini sederhana, daya dikirim ke pompa. Tapi bagaimana bisa turbin menghasilkan daya lebih dari yang dibutuhkan pompa? Bagaimanapun, pompa harus mengatasi tekanan yang sama yang menggerakkan turbin dan menghasilkan jumlah air yang sama dengan yang dikeluarkan sebagai uap. Saya kehilangan beberapa elemen penting dari perangkat ini. Apa itu?

thermodynamics steam SF.
sumber

Jawaban:

Tekanan adalah gaya / area, jika area yang ditawarkan oleh impeller pompa lebih kecil dari area terhadap uap yang harus memaksa keluar dari boiler, dan baik turbin maupun pompa dihubungkan, maka, tekanan yang sama akan menghasilkan kekuatan yang lebih kecil pada pompa dari pada turbin.

Contoh:

Mari kita anggap bahwa pompa adalah pompa piston, dan di sisi uap ada mesin piston (untuk kesederhanaan). Pada bagian tertentu dari siklus, baik pompa piston dan katup piston mesin terbuka menuju ketel (pompa memasukkan air ke ketel dan mesin mengambil uap dari ketel).

"Wajah" piston pompa, katakanlah, memiliki luas permukaan 10cm², sedangkan piston mesin uap memiliki luas permukaan 100cm². Mari kita anggap tekanan pada boiler adalah 200kPascal. Ini berarti bahwa pompa piston harus memaksa jalan melawan 200000N / M² * 0,001M² = 200N gaya. Sementara tekanan pada mesin uap ini menghasilkan 200000N / M² * 0,1M² = 20kN. Sudah jelas bahwa dalam hubungan langsung antara pompa dan mesin, mesin uap akan menghasilkan kekuatan yang jauh lebih besar daripada kebutuhan pompa untuk memberi makan air di dalam boiler terhadap gradien tekanan.

Sebagai perbandingan, anggaplah bahwa alih-alih memompa air ke dalam ketel, pompa mengambil uap dan memompanya ke dalam ketel. Jika piston pompa lebih kecil (artinya stroke atau lubang yang lebih kecil), jumlah massa air yang keluar dari boiler melalui mesin akan lebih besar dari jumlah massa yang kembali ke boiler melalui pompa. Jika keduanya sama, mesin tidak akan menghasilkan tenaga. Sementara jika pompa mampu memasukkan lebih banyak uap ke dalam ketel daripada keluar, Anda akan memiliki sumber daya unit di atas - yaitu menentang hukum termodinamika. Segera boiler akan kehabisan massa untuk dipanaskan.

Tetapi, karena apa yang dipompa ke dalam boiler adalah air cair, dan air sebagai cairan memiliki kepadatan yang jauh lebih tinggi daripada uap (artinya volume yang sama menyimpan massa lebih banyak daripada cairan sebagai gas - selain fakta bahwa cairan memiliki volume tetap sedangkan gas dapat mengembang), ketika volume kecil dipompa ke dalam ketel sebagai air, energi termal yang ditambahkan ke sistem akan memperluas massa ini menjadi uap yang memiliki banyak tekanan dan kepadatan yang jauh lebih sedikit, sehingga untuk mendapatkan massa air yang sama (seperti uap) keluar dari ketel melalui mesin, Anda akan membutuhkan volume sapuan yang jauh lebih besar daripada yang Anda gunakan untuk memasukkan air itu ke dalam, sehingga menghasilkan perbedaan kekuatan yang ditimbulkan oleh gas ini pada piston pompa (melalui kolom air masuk) versus piston mesin, memutuskan arah ke arah mana sistem akan bergerak.

Punya ide?

Dengan kata lain, kemampuan air untuk mengubah fase dan menempati volume yang lebih besar daripada cairan volume tetap menghasilkan perolehan daya bersih ke dalam sistem ini. Dari mana datangnya energi untuk menyebabkan perubahan fasa, yang kemudian menyebabkan peningkatan tekanan ini? Itu dari sumber panas. Ke mana perginya energi yang ditolak? Itu keluar dari kondensor, di mana uap menjadi cair, kehilangan volume, untuk disuntikkan lagi ke boiler sebagai cairan volume yang lebih kecil dan tetap, dan seterusnya ...

Gagasan utama di sini adalah tekanan sama dengan gaya yang dibagi berdasarkan luas.

Jorge Aldo
sumber

Alasan utamanya adalah bahwa dibutuhkan energi yang jauh lebih sedikit untuk memampatkan cairan daripada gas dengan perbedaan tekanan yang sama. Pompa membutuhkan sedikit energi untuk mengompresi air, tetapi sejumlah besar energi dilepaskan ketika uap mengembang di turbin. Inilah sebabnya mengapa perubahan fase digunakan dalam Rankine dan siklus terkait.

Hal lain yang perlu dipertimbangkan adalah bahwa pompa tidak perlu menyamai kekuatan turbin, seperti yang Anda katakan - hanya perlu menyesuaikan tekanan .

Anda dapat melihat perbedaan energi antara kompresi gas dan cairan ketika melihat tabel entalpi-vs-tekanan.

Carlton
sumber

Tetapi tekanan pada boiler, bergerak melalui air ke pompa, itu yang tidak dia mengerti, bagaimana bisa tekanan yang sama tidak memaksa pompa dengan cara yang akan menyebabkan pompa berhenti memberi makan air?

Jorge Aldo

Ah, pompa berukuran sehingga akan dapat bekerja melawan tekanan desain boiler. Jika boiler beroperasi pada 1000 kPa, pompa harus digunakan yang dapat mengeluarkan air pada 1100 kPa, misalnya. Dengan begitu selalu ada gradien tekanan yang menguntungkan di boiler, menggerakkan uap ke arah yang benar.

Carlton

Saya tidak percaya begitu, jika kedua sistem terhubung, tekanan akan sama pada semua kapal yang terhubung. Mari kita anggap sebuah pompa piston, katup terbuka menuju boiler yang berada di 100kpa. Bagaimana pompa "debit" pada 110kpa? Sistem terhubung, tekanan akan dikomunikasikan melalui air ke piston pompa, sesederhana itu.

Jorge Aldo

Ini adalah prinsip yang sama dengan mesin brayton, baik brayton dan rankine membutuhkan cara untuk membuat fluida / gas melalui turbin listrik dan tidak kembali ke kompresor / pompa. ini diselesaikan melalui perbedaan ukuran dalam ukuran turbin / kompresor (turbin jika diputar oleh gas memberikan gaya yang lebih greated daripada hambatan yang diinduksi ke dalam kompresor ...)

Jorge Aldo

ya tapi tekanan pada keluarnya pompa sama dengan tekanan pada input mesin. tidak ada perbedaan tekanan di sini, kata kunci FORCE, tekanan yang sama pada piston yang berbeda menghasilkan gaya yang berbeda, dan itulah yang memungkinkan pompa untuk memompa air ke dalam sistem.

Jorge Aldo

Ada perbedaan tekanan di seluruh turbin yang mencegah tekanan mundur.

http://www.mpoweruk.com/images/rankine_pv.gif Pada grafik di atas antara titik 2 dan titik tiga fluida melewati turbin yang mengembang saat mendorong turbin dan mengurangi tekanan. Jika Anda mengabaikan poros dan rotasi turbin, titik itu hampir bisa diganti dengan nosel dengan efek yang sama pada siklus.

Dari uraian Anda, sepertinya Anda menggambarkan sistem penyimpanan yang dipompa atau Anda mengabaikan tahap pemanasan / pembakaran (poin 4 hingga poin 1 pada bagan saya). Tahap ini adalah apa yang meningkatkan tekanan sistem di luar tekanan yang diciptakan pompa.

Dopeybob435
sumber

"Jika kamu mengabaikan ..." - bisakah aku mengabaikannya begitu saja? Jika ada nozzle, akan ada kehilangan energi murni, dekompresi. Jika ada mesin uap piston dengan katup besar, tekanan akan membackup setelah menyamakan antara ruang piston dan boiler. Apa pun di antara keduanya adalah pertukaran antara kekuatan yang dipanen (dan menahan tekanan) dan melepaskan uap melalui nosel, menciptakan kerugian. BAGAIMANA tekanan tidak mundur melalui turbin, dan masih menyisakan cukup energi untuk impas dengan pompa?

SF.

Maksud saya "reductio ad absurdum": letakkan dua perangkat simetris yang identik yang dapat bertindak baik sebagai pompa dan turbin, pemanas tepat di tengah-tengah di antara mereka di satu sisi, radiator tepat di tengah di sisi lain. Hubungkan poros mereka. Anda bahkan dapat memberikan dorongan awal, sehingga yang satu memompa air masuk sementara yang lain didorong oleh uap keluar, tetapi torsi akan dibatalkan. Dari mana asimetri itu berasal?

SF.

tunggu ... saya pikir saya melihat di mana. Saya tidak yakin apakah saya benar, maka perbaiki saya jika saya berfantasi. Torsi pompa / turbin sebanding dengan tekanan dan volume yang digerakkan, bukan massa . Tekanan pada kedua ujungnya akan sama (disamakan), tetapi akan ada lebih banyak uap daripada air, sehingga pompa air dapat membuat seperti satu putaran per 100 putaran turbin uap dan masih jumlah air (+ uap) pada sisi panas akan tetap konstan. Lebih banyak volume pada tekanan yang sama = lebih banyak pekerjaan yang dapat digunakan. Mesin saya membutuhkan gearbox: sisi uap akan menghasilkan lebih sedikit torsi daripada kebutuhan lainnya, tetapi lebih banyak RPM.

SF.

"Dengan mengembun uap uap yang berfungsi ke cairan, tekanan di outlet turbin diturunkan dan energi yang dibutuhkan oleh pompa umpan hanya mengkonsumsi 1% hingga 3% dari daya keluaran turbin dan faktor-faktor ini berkontribusi pada efisiensi yang lebih tinggi untuk siklus. " <Wikipedia> Pompa ini bukan apa-apa yang menciptakan daya dimana turbin sedang diisi oleh, tahap boiler / pemanasan. Energi cairan tidak hanya disimpan oleh tekanan yang diciptakan oleh pompa. Energi dalam sistem ini dibangun oleh tahap boiler / pemanas sehingga tidak ada koneksi yang kuat antara input pompa dan turbin.

Dopeybob435

Keseimbangan energi antara sumber pemanas dan turbin. upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/be/... Pada gambar lihat ukuran W-in pompa vs Qin sumber panas.

Dopeybob435