Schemat instalacji cyklu. Ke - kocioł parowy , T - turbina , G - generator , Ko - skraplacz , Sp - pompa wody zasilającej

Cykl w układzie p-V

Cykl w układzie T-s

Obieg Rankine'a (dokładniej obieg Clausiusa-Rankine'a) jest obiegiem porównawczym dla procesów, w których zachodzi parowanie i skraplanie czynnika roboczego np. dla konwencjonalnych lub jądrowych siłowni parowych , agregatów chłodziarek.

Jest on złożony z następujących przemian:

• 1 - 2 - izentropowego (adiabatycznego) rozprężania pary w turbinie parowej ,
• 2 - 3 - izobarycznego skroplenia rozprężonej pary (odprowadzenia ciepła w skraplaczu ),
• 3 - 4 - izochorycznego , pompowania kondensatu w pompie ,
• 4 - 1 - izobarycznego podgrzewania cieczy (wody), jej odparowania oraz przegrzewania powstałej pary w kotle parowym lub wytwornicy pary .

Sprawność obiegu dla wody może wynosić 0,4-0,6, w praktyce bliższa dolnej granicy, co wynika z odchyłek przemian od założeń teoretycznych obiegu (np. nieizentropowe rozprężanie pary w turbinie, spadki ciśnienia w wymiennikach ciepła w kotle, etc.).

Obieg ten jest znacznie bliższy rzeczywistości dla cyklu, w którym zachodzi przemiana fazowa gaz - ciecz w porównaniu z obiegiem Carnota , który jest cyklem zachodzącym tylko dla gazu.

Czynnikiem roboczym (termodynamicznym) w cyklu Rankine'a jest w zastosowaniach technicznych ( energetyce ) najczęściej woda . Wynika to z wielu względów, m.in. z jej bardzo łatwej dostępności oraz obojętności dla środowiska. Niekiedy pojawiają się tzw. ORC, Organic Rankine Cycle, obiegi Rankine'a wykorzystujące jako czynnik roboczy węglowodory , co pozwala na pracę przy niższych temperaturach górnego źródła ciepła obiegu . Dzięki temu możliwe jest wykorzystanie np. ciepła geotermalnego do produkcji energii elektrycznej.

Podnoszenie sprawności obiegu Rankine'a

Przegrzew wtórny

W tym przypadku para po opuszczeniu wysokoprężnej części turbiny kierowana jest z powrotem do kotła do ponownego przegrzania. Pozwala to na zapobieganie skraplania się pary wodnej wewnątrz turbiny i zwiększa jej żywotność (jak widać na wykresach T-s i p-v, podczas rozprężania pary (przemiana 1-2) następuje przekroczenie linii nasycenia pary wodnej i wejście w obszar pary wilgotnej, a więc mieszaniny pary wodnej i wody w fazie ciekłej - przegrzew wtórny powoduje przesunięcie na wykresie T-s "w prawo" rozprężania i pozwala na uniknięcie lub opóźnienie wejścia w obszar pary wilgotnej). Jednocześnie powoduje zwiększenie średniej temperatury przekazywania ciepła do czynnika w obiegu, od której to temperatury zależy sprawność (podobnie jak od temperatury dostarczania ciepła w obiegu Carnota).

Regeneracja ciepła

Regeneracja ciepła w obiegach termodynamicznych polega na zachowaniu pewnej ilości ciepła wewnątrz obiegu, które bez regeneracji byłoby wyrzucone do otoczenia.

W siłowni parowej (a więc i w obiegu Rankine'a) ciepłem tym jest ciepło skraplania pary wodnej. Część strumienia pary, po rozprężeniu w pewnej ilości stopni turbiny, odprowadzana jest do wymiennika regeneracyjnego . Całe ciepło (a dokładniej entalpia ) tej części strumienia pary wykorzystane zostaje do podgrzania kondensatu, dzięki czemu w kotle spalana jest mniejsza ilość paliwa .

Regeneracyjny podgrzew wody zasilającej kocioł realizowany jest zwykle w kilku wymiennikach, dzięki czemu minimalizowane są straty egzergii . Ilość wymienników zależna jest od wielkości bloku energetycznego, i wynosi zwykle od kilku do kilkunastu. Część wymienników umieszczona jest przed pompą zasilającą (wymienniki niskoprężne), a część za (wymienniki wysokoprężne). Nazwa pochodzi oczywiście od ciśnienia panującego po stronie kondensatu .

Regeneracja ciepła obiegu Rankine'a prowadzi do wzrostu sprawności termicznej obiegu o kilka do kilkunastu procent, w zależności od ilości wymienników i wielkości ciepła wykorzystanego do regeneracji. Zastosowanie w układach rzeczywistych siłowni regeneracji ciepła prowadzi do komplikacji układu i wzrostu kosztów inwestycyjnych. Jednak korzyści wynikające ze wzrostu sprawności netto elektrowni powodują, że regeneracja ciepła była, jest i będzie stosowana, a jej znaczenie stale wzrasta.

Zobacz też: przegrzew wtórny .