Brontekst bekijken van Rankine-proces

[[Bestand:Rankine cycle layout.png|thumb|De Rankinecyclus: 1 = condensaat, 2 = ketelvoedingswater op druk, 3 = oververhitte stoom, 4 = afgewerkte stoom.]]

Een '''Rankine-proces''' of '''Rankinecyclus''' is een thermodynamisch [[kringproces]] dat [[warmte]] in mechanische [[arbeid (thermodynamica)|arbeid]] omzet. De warmte Q<sub>in</sub> wordt extern aangevoerd en afgevoerd Q<sub>uit</sub>, meestal langs water/stoom als medium, maar het kan ook een ander medium zijn zoals bij de [[organische rankinecyclus]] (ORC). De Rankinecyclus biedt een theoretisch model voor de [[stoomturbine]], die circa 90% van alle energie ter wereld opwekt: zowel in [[kerncentrale]]s, [[kolencentrale]]s als [[gascentrale]]s. Het proces is genoemd naar de bedenker [[William John Macquorn Rankine]], een Schotse professor aan de [[Universiteit van Glasgow]].

De Rankinecyclus benadert de ideale [[carnotcyclus]]. Het verschil zit in de toevoer en afvoer van warmte, die in de Rankinecyclus op gelijke druk ([[Isobaar proces|isobaar]]) gebeuren en in de ideale carnotcyclus bij gelijke temperatuur ([[isotherm]]). Er is een [[ketelvoedingswaterpomp]] nodig om het [[condensaat]] na de [[condensor (damp)|condensor]] op de vereiste druk te brengen. De energie W<sub>pomp</sub> van de ketelvoedingswaterpomp gaat verloren. Ook de [[verdampingswarmte]] Q<sub>uit</sub> van het fluïdum gaat verloren in de condensor.

Het [[rendement (thermodynamica)|rendement]] is beperkt door het fluïdum. Onder het [[Kritisch punt (thermodynamica)|kritisch punt]] is de maximaal haalbare temperatuur beperkt tot 565°C waarbij [[roestvast staal]] [[kruip]] begint te vertonen. De condensor is beperkt tot 30°C vanwege het in een [[koeltoren]] haalbare [[vacuüm]]. Dit geeft een ideaal carnotrendement van 63%, terwijl het werkelijk rendement van een kolencentrale 42% bereikt. Dit lage rendement vormt de bestaansreden van de gecombineerde [[STEG]], waarbij de [[gasturbine]] op hogere temperatuur (1100°C) werkt dan de stoomturbine.

[[Bestand:Rankine cycle Ts.png|thumb|Temperatuur-entropie-diagram van een ideale Rankinecyclus met een stoomketel op 50 [[bar (druk)|bar]] en een condensor op 0,06 bar]]
De Rankinecyclus bestaat uit vier deelprocessen.
*'''Proces 1-2''': Een ketelvoedingswaterpomp brengt condensaat op druk.
*'''Proces 2-3''': De [[stoomketel]] verhit het ketelvoedingswater bij constante druk naar [[Stoom#Oververhitte_stoom|oververhitte stoom]].
*'''Proces 3-4''': De oververhitte stoom ontspant in een [[stoomturbine]].
*'''Proces 4-1''': De [[condensor (damp)|condensor]] condenseert de afgewerkte stoom bij constante druk terug naar condensaat.

Het rendement <math>\eta_{therm}</math> van de rankinecyclus volgt dan uit:
: <math> \eta_{therm}=\frac{\dot{W}_{turbine}-\dot{W}_{pomp}}{\dot{Q}_{in}} \approx \frac{\dot{W}_{turbine}}{\dot{Q}_{in}}.</math>
De arbeid van de pomp bedraagt rond 1% en kan verwaarloosd worden.
De toegevoerde warmte, de afgevoerde warmte, de arbeid van de pomp en de arbeid van de turbine vallen te berekenen uit de [[enthalpie]], die uit een [[mollier-diagram]] of uit [[stoomtabel]]len af te lezen valt. 

: <math>\frac{\dot{Q}_{in}}{\dot{m}}=h_3-h_2</math>

: <math>\frac{\dot{Q}_{out}}{\dot{m}}=h_4-h_1</math>

: <math>\frac{\dot{W}_{pomp}}{\dot{m}}=h_2-h_1</math>

: <math>\frac{\dot{W}_{turbine}}{\dot{m}}=h_3-h_4</math>

Voor een echte turbine en pomp moet dan ook hun rendement η<sub>turbine</sub> en η<sub>pomp</sub> nog in rekening gebracht worden.

: <math>\dot{W}</math><sub>pomp</sub> / <math>\dot{m}</math> = <math>h_2-h_1</math> ≈ <math>v_1</math> Δp / η<sub>pomp</sub> ≈ <math>v_1</math> (<math>p_2-p_1</math>) / η<sub>pomp</sub>

:<math>\dot{W}</math><sub>turbine</sub> / <math>\dot{m}</math> = <math>h_3-h_4</math> ≈ (<math>h_3-h_4</math>) η<sub>turbine</sub>

[[Categorie:Thermodynamisch kringproces]]