Carnot çevriminin uygulanmasında karşılaşılan zorlukların birçoğu, kazanda suyu kızgın buhar haline ısıtarak ve yoğuşturucuda doymuş sıvı haline yoğuşturarak yok edilebilir. Bu düzenlemeler Şekil’de sistem ve T-s diyagramı üzerinde gösterilmiştir. Bu çevrim, Rankine çevrimi diye adlandırılır ve buharlı güç santralleri için ideal çevrimdir. İdeal Rankine çevriminde içten tersinmezliğin olmadığı dört hal değişimi vardır:
- 2 Pompayla izantropik sıkıştırma
- 3 Kazanda, sisteme sabit basınçta (P = sabit) ısı geçişi
- 4 Türbinde izantropik genişleme
- 1 Yoğuşturucuda, sistemden sabit basınçta (P = sabit) ısı atılması
Su, pompaya 1 halinde doymuş sıvı olarak girer ve izantropik bir hal değişimiyle kazan basıncına sıkıştırılır. Su sıcaklığı, izantropik sıkıştırma işlemi sırasında suyun özgül hacminin biraz azalmasından dolayı bir miktar artar. T-s diyagramında 1 ve 2 halleri arasındaki dikey aralık, diyagramın rahat anlaşılabilmesi için olduğundan büyük gösterilmiştir. (Eğer su gerçekten sıkıştırılamaz olsaydı, bu hal değişimi sırasında sıcaklık artışı veya azalması olabilir miydi?)
Su, kazana 2 halinde sıkıştırılmış sıvı olarak girer ve 3 halinde kızgın buhar olarak çıkar. Kazan temelde büyük bir ısı değiştiricisidir. Yanma sonucunda oluşan gazlardan, nükleer reaktörden veya diğer kaynaklardan sağlanan ısı, burada hemem hemen sabit basınçta, suya geçer. Kazan buharın kızgın hale geldiği kızdırıcıyla birlikte, genellikle buhar üreticisi diye adlandırılır.
3 halindeki kızgın buhar, türbinde izantropik olarak genişler ve bir mili döndürerek iş yapar. Mil genellikle elektrik üretimi için bir jeneratöre bağlanmıştır. Bu hal değişimi sırasında buharın basıncı ve sıcaklığı azalarak 4 halindeki değerlere ulaşır. Buhar türbinden çıktıktan sonra yoğuşturucuya girer. Yoğuşturucuya giren buhar genellikle yüksek kuruluk derecesinde doymuş sıvı-buhar karışımı halindedir. Yoğuşturucu büyük bir ısı değiştiricisidir. Buhar burada göl, akarsu veya atmosfere ısı vererek sabit basınçta yoğuşur. Su, yoğuşturucudan doymuş sıvı halinde çıkar ve pompaya girerek çevrimi tamamlar. Suyun az olduğu bölgelerde, güç santrallerinde soğutma su yerine havayla yapılır. Arabaların motorlarında da kullanılan bu tür soğutma kuru soğutma diye bilinir. Dünyada ve ABD’de birkaç buharlı güç santralinde, kuru soğutma su tasarrufu amacıyla uygulanmaktadır.
T-s diyagramında hal değişimi eğrisi altında kalan alanın içten tersinir hal değişimleri için ısı geçişini gösterdiği hatırlanırsa, 2-3 eğrisi altında kalan alanın suya kazanda verilen ısıyı, 4-1 eğrisi altında kalan alanın da yoğuşturucuda çevreye verilen ısıyı simgelediği söylenebilir. Bu ikisi arasındaki fark (çevrimi gösteren eğrinin içinde kalan alan) çevrimin net işi veya net ısı alışverişidir.
İdeal Rankine Çevriminin Enerji Çözümlemesi
Buharlı güç santralini oluşturan makinelerin tümü (pompa, kazan, türbin ve yoğuşturucu) sürekli akışlı makinelerdir, bu nedenle Rankine çevrimi de dört sürekli akışlı açık sistemden oluşan bir çevrim olarak incelenebilir. Buharın kinetik ve potansiyel enerjilerindeki değişim genellikle ısı geçişi ve işe oranla küçüktür, bu nedenle gözardı edilebilir. Böylece, sürekli akışlı açık sistemde enerjinin korunumu denklemi, buharın birim kütlesi için aşağıda gösterildiği gibi yazılır.
Kazan ve yoğuşturucuda iş etkileşimi yoktur, ayrıca pompa ve türbindeki hal değişimleri izantropik kabul edilebilir. Bu durumda her bir sistem için enerjinin korunumu denklemi aşağıda gösterildiği gibi olur.
Rankine çevriminin ısıl verimi aşağıdaki gibi ifade edilir.
Buradan aşağıdaki denklem elde edilir.
ABD’deki güç santrallerinin dönüşüm verimleri genellikle ısı oranı ile ifade edilir. Bu değer 1 kWh elektrik üretmek için Btu birimlerinde harcanan ısıya eşittir. 1 kWh enerjinin 3412 Btu’ya eşit olduğu göz önüne alınırsa, ısı oranıyla ısıl verim arasındaki ilişki, aşağıda gösterildiği gibidir.
Örneğin, 11363 Btu/kWh ısı oranı, yüzde 30 ısıl verime eşdeğerdir. Isıl verim aynı zamanda T-s diyagramında çevrimi belirten eğrinin içinde kalan alanın, ısı geçişini gösteren eğrinin altında kalan alana oranı olarak da ifade edilebilir. Verilen bağıntıların kullanımı aşağıdaki örnekte açıklanmıştır.