วัฏจักรแรงคินเป็นวัฏจักรทางอุณหพลศาสตร์ในอุดมคติ ซึ่งอธิบายกระบวนการที่เครื่องยนต์ความร้อนบางชนิด เช่น กังหันไอน้ำหรือเครื่องจักรไอน้ำแบบลูกสูบ ยอมให้งานทางกลถูกแยกออกจากของไหลในขณะที่มันเคลื่อนที่ระหว่างแหล่งความร้อนและแผงระบายความร้อน วัฏจักร Rankine ตั้งชื่อตาม William John Macquorn Rankine ศาสตราจารย์ผู้รอบรู้ชาวสก็อตที่มหาวิทยาลัยกลาสโกว์
พลังงานความร้อนจะถูกส่งไปยังระบบผ่านทางหม้อไอน้ำ โดยที่ของไหลทำงาน (โดยทั่วไปคือน้ำ) จะถูกแปลงเป็นสถานะก๊าซแรงดันสูง (ไอน้ำ) เพื่อหมุนกังหัน หลังจากผ่านกังหันแล้ว ของไหลจะเกิดการควบแน่นกลับเป็นสถานะของเหลวเนื่องจากพลังงานความร้อนเหลือทิ้งถูกปฏิเสธก่อนที่จะถูกส่งกลับไปยังหม้อไอน้ำ ซึ่งเป็นการสิ้นสุดวงจร การสูญเสียความเสียดทานทั่วทั้งระบบมักถูกละเลยเพื่อให้การคำนวณง่ายขึ้น เนื่องจากการสูญเสียดังกล่าวมักมีนัยสำคัญน้อยกว่าการสูญเสียทางอุณหพลศาสตร์มาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบที่ใหญ่กว่า
'O_คำอธิบาย_O"
วัฏจักรแรงคินอธิบายอย่างใกล้ชิดถึงกระบวนการที่เครื่องจักรไอน้ำซึ่งมักพบในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนควบคุมพลังงานความร้อนของเชื้อเพลิงหรือแหล่งความร้อนอื่นๆ เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า แหล่งความร้อนที่เป็นไปได้ ได้แก่ การเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น ถ่านหิน ก๊าซธรรมชาติ และน้ำมัน การใช้ทรัพยากรที่ขุดได้สำหรับการแยกตัวของนิวเคลียร์ เชื้อเพลิงหมุนเวียน เช่น ชีวมวลและเอธานอล และการจับพลังงานจากแหล่งธรรมชาติ เช่น พลังงานแสงอาทิตย์เข้มข้นและพลังงานความร้อนใต้พิภพ แผ่นระบายความร้อนทั่วไปประกอบด้วยอากาศโดยรอบด้านบนหรือรอบๆ สถานที่และแหล่งน้ำ เช่น แม่น้ำ บ่อน้ำ และมหาสมุทร
ความสามารถของเครื่องยนต์ Rankine ในการควบคุมพลังงานขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอุณหภูมิสัมพัทธ์ระหว่างแหล่งความร้อนและแผงระบายความร้อน ยิ่งค่าดิฟเฟอเรนเชียลมากเท่าไร พลังงานกลก็สามารถดึงออกมาจากพลังงานความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นตามทฤษฎีบทของการ์โนต์
ประสิทธิภาพของวงจรแรงคินถูกจำกัดด้วยความร้อนสูงของการกลายเป็นไอของของไหลทำงาน เว้นแต่ความดันและอุณหภูมิจะไปถึงระดับวิกฤตยิ่งยวดในหม้อไอน้ำ ช่วงอุณหภูมิที่วงจรสามารถทำงานได้จะค่อนข้างเล็ก ในปี 2022 โรงไฟฟ้าวิกฤตยิ่งยวดส่วนใหญ่ใช้แรงดันไอน้ำขาเข้า 24.1 MPa และอุณหภูมิขาเข้าระหว่าง 538°C ถึง 566°C ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพของโรงงานอยู่ที่ 40% อย่างไรก็ตาม หากความดันเพิ่มขึ้นอีกเป็น 31 MPa โรงไฟฟ้าจะเรียกว่าวิกฤตยิ่งยวด และสามารถเพิ่มอุณหภูมิไอน้ำขาเข้าเป็น 600°C ได้ จึงบรรลุประสิทธิภาพเชิงความร้อนที่ 42% อุณหภูมิทางเข้าของกังหันไอน้ำต่ำ (เมื่อเปรียบเทียบกับกังหันก๊าซ) เป็นสาเหตุว่าทำไมวงจร Rankine (ไอน้ำ) จึงมักถูกใช้เป็นวงจรด้านล่างสุดเพื่อนำความร้อนที่ถูกปฏิเสธกลับคืนมาในโรงไฟฟ้ากังหันก๊าซแบบวงจรรวม แนวคิดก็คือว่าผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ที่ร้อนมากจะถูกขยายตัวในกังหันแก๊สก่อน จากนั้นก๊าซไอเสียซึ่งยังค่อนข้างร้อนจะถูกใช้เป็นแหล่งความร้อนสำหรับวงจรแรงคิน ซึ่งจะช่วยลดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างแหล่งความร้อนและ ของไหลทำงานและลดปริมาณเอนโทรปีที่เกิดจากการไม่สามารถย้อนกลับได้
โดยทั่วไปเครื่องยนต์แรงคินจะทำงานในระบบปิดซึ่งของเหลวทำงานจะถูกนำกลับมาใช้ใหม่ ไอน้ำที่มีหยดควบแน่นซึ่งมักจะเห็นเป็นคลื่นจากสถานีไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยระบบทำความเย็น (ไม่ได้มาจากวงจรพลังงาน Rankine แบบวงปิดโดยตรง) ความร้อนจาก "ไอเสีย" นี้แสดงด้วย "Qout" ที่ไหลออกมาจากด้านล่างของวงจรที่แสดงในแผนภาพ T-s ด้านล่าง หอทำความเย็นทำหน้าที่เป็นตัวแลกเปลี่ยนความร้อนขนาดใหญ่โดยการดูดซับความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอของของไหลทำงานและระเหยน้ำหล่อเย็นสู่ชั้นบรรยากาศไปพร้อมๆ กัน
แม้ว่าสารหลายชนิดสามารถใช้เป็นของเหลวในการทำงานได้ แต่น้ำมักจะถูกเลือกเนื่องจากคุณสมบัติทางเคมีอย่างง่าย ความอุดมสมบูรณ์สัมพัทธ์ ต้นทุนต่ำ และคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ ด้วยการควบแน่นไอน้ำทำงานให้เป็นของเหลว ความดันที่ทางออกของกังหันจะลดลง และพลังงานที่ปั๊มป้อนต้องการจะสิ้นเปลืองเพียง 1% ถึง 3% ของกำลังขับของกังหัน ปัจจัยเหล่านี้ส่งผลให้วงจรมีประสิทธิภาพสูงขึ้น ประโยชน์ของสิ่งนี้จะถูกชดเชยด้วยอุณหภูมิที่ต่ำของไอน้ำที่เข้าสู่กังหัน ตัวอย่างเช่น กังหันก๊าซมีอุณหภูมิทางเข้าของกังหันอยู่ที่เกือบ 1,500 °C อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของโรงไฟฟ้าพลังไอน้ำจริงขนาดใหญ่และสถานีกังหันก๊าซสมัยใหม่ขนาดใหญ่มีความคล้ายคลึงกัน
กระบวนการทั้งสี่ในวงจรแรงคิน
กระบวนการที่ 1–2 การบีบอัดแบบไอเซนโทรปิก
สารทำงานจะถูกสูบจากแรงดันต่ำไปสูง เนื่องจากของไหลเป็นของเหลวในขั้นตอนนี้ ปั๊มจึงต้องใช้พลังงานอินพุตเพียงเล็กน้อย
กระบวนการที่ 2–3 การเติมความร้อนด้วยแรงดันคงที่ในหม้อไอน้ำ
ของเหลวแรงดันสูงจะเข้าสู่หม้อต้มน้ำ โดยแหล่งความร้อนภายนอกจะให้ความร้อนที่ความดันคงที่จนกลายเป็นไออิ่มตัวแบบแห้ง พลังงานอินพุตที่ต้องการสามารถคำนวณเป็นกราฟิกได้อย่างง่ายดาย โดยใช้แผนภูมิเอนทาลปี–เอนโทรปี (แผนภูมิ h–s หรือแผนภาพมอลลิเยร์) หรือคำนวณเป็นตัวเลขโดยใช้ตารางไอน้ำหรือซอฟต์แวร์
กระบวนการที่ 3–4 การขยายตัวแบบไอเซนโทรปิก
ไออิ่มตัวแบบแห้งจะขยายตัวผ่านกังหันเพื่อสร้างพลังงาน สิ่งนี้จะลดอุณหภูมิและความดันของไอ และอาจเกิดการควบแน่นได้ ผลลัพธ์ในกระบวนการนี้สามารถคำนวณได้อย่างง่ายดายโดยใช้แผนภูมิหรือตารางที่ระบุไว้ข้างต้น
กระบวนการ 4–1 การปฏิเสธความร้อนด้วยแรงดันคงที่ในคอนเดนเซอร์
จากนั้นไอเปียกจะเข้าสู่คอนเดนเซอร์ ซึ่งควบแน่นด้วยความดันคงที่จนกลายเป็นของเหลวอิ่มตัว
ในวงจรแรงคินในอุดมคติ ปั๊มและกังหันจะเป็นแบบไอเซนโทรปิก กล่าวคือ ปั๊มและกังหันจะไม่สร้างเอนโทรปี และด้วยเหตุนี้จึงเพิ่มผลผลิตสุทธิสูงสุด กระบวนการที่ 1–2 และ 3–4 จะแสดงด้วยเส้นแนวตั้งบนแผนภาพ T–s และมีลักษณะคล้ายกับวัฏจักรคาร์โนต์มากขึ้น วงจรแรงคินที่แสดงไว้ที่นี่จะป้องกันไม่ให้สถานะของของไหลทำงานจบลงในบริเวณไอร้อนยวดยิ่งหลังจากการขยายตัวในกังหัน ซึ่งจะช่วยลดพลังงานที่คอนเดนเซอร์ดึงออก
วัฏจักรกำลังของไอที่เกิดขึ้นจริงแตกต่างจากวัฏจักรแรงคินในอุดมคติ เนื่องจากองค์ประกอบโดยธรรมชาติไม่สามารถกลับคืนสภาพเดิมได้ ซึ่งเกิดจากการเสียดสีของของไหลและการสูญเสียความร้อนต่อสิ่งแวดล้อม แรงเสียดทานของของไหลทำให้แรงดันในหม้อต้ม คอนเดนเซอร์ และท่อระหว่างส่วนประกอบลดลง และเป็นผลให้ไอน้ำออกจากหม้อต้มด้วยความดันต่ำลง การสูญเสียความร้อนจะช่วยลดปริมาณงานสุทธิ ดังนั้นความร้อนที่เพิ่มขึ้นจากไอน้ำในหม้อต้มจึงจำเป็นเพื่อรักษาระดับปริมาณงานสุทธิเท่าเดิม
Real Rankine cycle (non-ideal) / วงจร Rankine จริง (ไม่เหมาะ)
ในวงจรของโรงไฟฟ้าจริง (ชื่อวงจร "Rankine" ใช้สำหรับวงจรในอุดมคติเท่านั้น) การบีบอัดโดยปั๊มและการขยายตัวในกังหันจะไม่เป็นแบบไอเซนโทรปิก กล่าวอีกนัยหนึ่ง กระบวนการเหล่านี้ไม่สามารถย้อนกลับได้ และเอนโทรปีจะเพิ่มขึ้นในระหว่างกระบวนการทั้งสอง สิ่งนี้ค่อนข้างจะเพิ่มพลังงานที่ปั๊มต้องการและลดพลังงานที่สร้างโดยกังหัน
โดยเฉพาะอย่างยิ่งประสิทธิภาพของกังหันไอน้ำจะถูกจำกัดด้วยการก่อตัวของหยดน้ำ เมื่อน้ำควบแน่น หยดน้ำจะกระทบใบพัดกังหันด้วยความเร็วสูง ทำให้เกิดรูพรุนและการกัดเซาะ อายุการใช้งานของใบพัดกังหันและประสิทธิภาพของกังหันจะค่อยๆ ลดลง วิธีที่ง่ายที่สุดในการแก้ปัญหานี้คือการทำให้ไอน้ำร้อนยวดยิ่ง ในแผนภาพ T-s ด้านบน สถานะ 3 อยู่ที่ขอบเขตของบริเวณสองเฟสของไอน้ำและน้ำ ดังนั้นหลังจากการขยายตัว ไอน้ำจะเปียกมาก ด้วยการใช้ความร้อนยวดยิ่ง สถานะ 3 จะเคลื่อนไปทางขวา (ขึ้นไป) ในแผนภาพ และด้วยเหตุนี้จึงสร้างไอน้ำที่แห้งมากขึ้นหลังจากการขยายตัว
Rankine cycle with reheat / วงจร Rankine พร้อมการอุ่นซ้ำ
วัตถุประสงค์ของวงจรการอุ่นคือเพื่อขจัดความชื้นที่ถูกไอน้ำพาไปในขั้นตอนสุดท้ายของกระบวนการขยายตัว ในรูปแบบนี้ กังหันสองตัวทำงานแบบอนุกรม ขั้นแรกรับไอจากหม้อไอน้ำที่แรงดันสูง หลังจากที่ไอระเหยผ่านกังหันตัวแรก มันจะกลับเข้าสู่หม้อไอน้ำอีกครั้งและถูกทำให้ร้อนอีกครั้งก่อนที่จะผ่านกังหันตัวที่สองที่มีแรงดันต่ำกว่า อุณหภูมิการอุ่นซ้ำจะใกล้เคียงหรือเท่ากับอุณหภูมิทางเข้า ในขณะที่แรงดันการอุ่นที่เหมาะสมที่สุดที่ต้องการคือเพียงหนึ่งในสี่ของแรงดันหม้อไอน้ำเดิม ข้อดีอีกอย่างหนึ่งคือป้องกันไม่ให้ไอควบแน่นในระหว่างการขยายตัว และลดความเสียหายในใบพัดกังหัน และช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของวงจร เนื่องจากความร้อนจะไหลเข้าสู่วงจรมากขึ้นที่อุณหภูมิสูงขึ้น วงจรการอุ่นเครื่องเริ่มใช้ครั้งแรกในช่วงทศวรรษปี ค.ศ. 1920 แต่ไม่ได้ใช้งานเป็นเวลานานเนื่องจากปัญหาทางเทคนิค ในทศวรรษที่ 1940 ได้รับการแนะนำอีกครั้งด้วยการผลิตหม้อไอน้ำแรงดันสูงที่เพิ่มขึ้น และในที่สุดก็มีการใช้การอุ่นซ้ำสองครั้งในทศวรรษ 1950 แนวคิดเบื้องหลังการอุ่นซ้ำสองครั้งคือการเพิ่มอุณหภูมิเฉลี่ย พบว่าโดยทั่วไปแล้วการอุ่นซ้ำมากกว่าสองขั้นตอนนั้นไม่จำเป็น เนื่องจากขั้นตอนถัดไปจะเพิ่มประสิทธิภาพของวงจรเพียงครึ่งหนึ่งของขั้นตอนก่อนหน้า ในปัจจุบัน การอุ่นซ้ำสองครั้งมักใช้ในโรงไฟฟ้าที่ทำงานภายใต้แรงดันวิกฤตยิ่งยวด
Organic Rankine cycle / วงจรแรงคินอินทรีย์
วงจรแรงคินอินทรีย์ (ORC) ใช้ของเหลวอินทรีย์ เช่น เอ็น-เพนเทนหรือโทลูอีน แทนน้ำและไอน้ำ ซึ่งช่วยให้สามารถใช้แหล่งความร้อนที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า เช่น บ่อพลังงานแสงอาทิตย์ ซึ่งโดยทั่วไปจะทำงานที่อุณหภูมิประมาณ 70 –90 °C ประสิทธิภาพของวงจรจะลดลงมากอันเป็นผลมาจากช่วงอุณหภูมิที่ต่ำกว่า แต่สิ่งนี้อาจคุ้มค่าเนื่องจากต้นทุนที่ต่ำกว่าที่เกี่ยวข้องกับการรวบรวมความร้อนที่อุณหภูมิที่ต่ำกว่านี้ อีกทางหนึ่ง สามารถใช้ของไหลที่มีจุดเดือดเหนือน้ำได้ และอาจมีประโยชน์ทางอุณหพลศาสตร์ (ดูตัวอย่างเช่น กังหันไอปรอท) คุณสมบัติของสารทำงานจริงมีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณภาพของไอน้ำ(ไอ)หลังจากขั้นตอนการขยายตัว ซึ่งส่งผลต่อการออกแบบวงจรทั้งหมด
วัฏจักร Rankine ไม่ได้จำกัดสารทำงานตามคำนิยาม ดังนั้นชื่อ "วัฏจักรอินทรีย์" จึงเป็นเพียงแนวคิดทางการตลาด และวัฏจักรดังกล่าวไม่ควรถือเป็นวัฏจักรทางอุณหพลศาสตร์ที่แยกจากกัน
Credit : Rankine cycle - Wikipedia
