A Rankine ciklus egy endorreverzibilis termodinamikai ciklus , amely két izobárt és két adiabatikát tartalmaz .
Ez az a ciklus áll legközelebb a Carnot-ciklushoz . Ez utóbbitól az különbözteti meg, hogy két izobár transzformáció helyettesíti a két izoterm transzformációt, ami lehetővé teszi annak technikai megvalósítását.
William John Macquorn Rankine (1820-1872) találta fel, aki a nevét adta neki.
A Rankine-ciklus egy megfordíthatatlan ciklus, vagyis az egyetlen visszafordíthatatlanság a külső hőcserékből származik. Éppen ellenkezőleg, az úgynevezett zárt átalakításokat reverzibilisnek tekintik.
A ciklus áthaladt a motor irányába , épül fel a következő négy átalakulások:
A folyadék izobáros párolgása két egymást követő szakaszra osztható: a folyadék izobárikus melegítésére csak ezután az izobáros és az izotermikus párolgás .
A Carnot-ciklus ideális reverzibilis ciklus, amely két adott hőforrás esetében a leghatékonyabb. A valóságban a tömörítés, a tágulás és a kondenzáció fázisa technikai szempontból túl kényes. Ezenkívül a hő- és a munkaátadások reverzibilitásának fogalma végtelenül nagy cserefelületeket és végtelenül lassú átalakulásokat jelent, amelyek a gyakorlatban nem megvalósíthatók. A fizikailag megvalósítható Rankine-ciklus az a termodinamikai ciklus, amely leginkább hasonlít a Carnot-ciklushoz.
A Rankine-ciklusban, ellentétben a Carnot-ciklussal, a kondenzáció teljes. A következő tömörítés kevesebb munkát igényel, mert a folyadék folyékony formában van. Ez a fejlesztés azt jelenti, hogy egy kevés energiát fogyasztó szivattyú használható kompresszorként, és a hasznos munka nagyobb, mint a Carnot-ciklusnál. A folyadék elpárologtatásához szükséges felesleges hő azonban azt jelenti, hogy a Rankine-ciklus hatékonysága alacsonyabb marad, mint a Carnot-ciklusé.
Az alkoholt vagy étert (víz helyett) használó motorokat már 1825/1826-ban Thomas Hodward fejlesztette ki (tehát Rankine munkája előtt). 1850 körül Verdat Du Trembley vízgőz / éter kaszkádmotort épített a Rhône felfelé haladó hajók számára, és ezt a folyamatot "kombinált gőznek" nevezte. Ez a rendszer több hajót is felszerelt a folyami vagy tengeri hajózáshoz.
1883-ban Frank Ofeldt fejlesztette ki elsőként egy Rankine motort, amely nem vizet, hanem benzint használt . Ez az újítás lehetővé tette azoknak a szabályoknak a megkerülését, amelyek engedélykötelezettséget igényelnek a gőzgépekhez szükséges víz elpárologtatásához, a benzinre nem vonatkozik a szabályozás.
A szerves folyadékok közé tartoznak az alkánok , fluorozott alkánok, éterek és fluorozott éterek.
Ezt követően tovább fejlődött és tanulmányozták a szerves folyadékok felhasználását a Rankine-ciklusban. Fő előnyei:
Alkalmazásai elsősorban a geotermikus energiában, az ipari hővisszanyerésben és a biomasszából történő villamosenergia-termelésben találhatók. 2015 végén a világszerte telepített kapacitás, amely e technológia elvén működik, megközelítőleg 2,7 GW villamos energiát képvisel.
A Kalina ciklus a Rankine ciklus egyik változata és a Global Geothermal vállalat bejegyzett védjegye ( The Kalina Cycle® ). A Kalina-ciklust az 1980-as években találta ki egy orosz mérnök , Alekszandr Kalina, aki a nevét adta neki. Ő fejlesztette ki az első erőmű technológián alapuló felügyelete alatt az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma 1991 és 1997 között a Canoga Park , Kalifornia . Ez a tesztüzem 8600 órán át működött, és 6,5 MW teljesítményre volt képes .
Ennek a termodinamikai ciklusnak az eredetisége abban áll, hogy két folyadék keverékét alkalmazzák munkafolyadékként. Eredetileg ez a keverék vízből és ammóniából állt . Ezt követően más keverékek jelentek meg.
A hagyományos Rankine-ciklushoz képest ez az innováció hőmérséklet- változást eredményez a korábban izotermikus folyadék párolgási és kondenzációs fázisaiban . A ciklus termikus hatásfoka így javul, mert a hőnövekedés során az átlagos hőmérséklet magasabb, mint egy ekvivalens Rankine-ciklus hőmérséklete, és a hőveszteség alatt az átlagos hőmérséklet alacsonyabb. A hatékonyságnövekedést a hagyományos Rankine ciklushoz képest az alkalmazástól függően 10% és 50% között becsülik. Minél alacsonyabb a hőforrás hőmérséklete, annál nagyobb a hatékonyságnövekedés a Rankine-ciklushoz képest.
A geotermikus erőművek található Húsavík az izlandi , Unterhaching és Bruschal a német , hanem a Quingshui a tajvani használja a Kalina ciklus. Japán hővisszanyerő alkalmazásaiban is megtalálható , például a Sumitomo Metal vállalat acélgyárában, a Tokió- öbölben található Fuji Oil finomítóban vagy Fukuoka városának hulladékégetőjében . Kisebb mértékben, a Kalina ciklus során használt a 2010-es világkiállítás a Shanghai előállításához 0,05 MW egy naperőmű .
A Hirn-ciklust a párolgás végén a túlmelegedés jellemzi . Ez a változat az a ciklus, amely leginkább hasonlít egy hőerőmű víz-gőz ciklusának működésére. A hatékonyság növelése mellett a túlhevítés csökkenti a turbina lapátjaira káros gőz nedvességtartalmát.
Az igazi Rankine-ciklus a legtöbb, jelenleg használt külső égésű termikus gépé: csónakok, tengeralattjárók meghajtására vagy motorirányú villamos energia előállítására szolgáló gőzgépek , hűtőszekrények , légkondicionálók és hőszivattyúk fordított sorrendben.