Как в цикле Ранкина турбина вырабатывает больше энергии, чем насос?

В цикле Ранкина есть котел, в котором вода кипит в перегретый пар. На входе есть насос, который подает больше воды, а на выходе - турбина, которая улавливает энергию сжатого пара.

Давление пара примерно одинаково по отношению к турбине и насосу; давление в секции котла.

Что заставляет пар приводить турбину в действие, вместо того, чтобы задним ходом заставлять насос вращаться назад? - ну, это просто, мощность подается на насос. Но тогда почему турбина производит больше энергии, чем насос? В конце концов, насос должен преодолевать то же давление, которое приводит в движение турбину, и доставлять такое же количество воды, которое выбрасывается в виде пара. Мне не хватает какого-то значимого элемента устройства. Что это?

Давление - это сила / площадь, если площадь, предлагаемая рабочим колесом насоса, меньше площади, против которой пар должен вытолкнуть из котла, а турбина и насос соединены, то одно и то же давление приведет к меньшее давление на насос, чем на турбину.

Пример :

Предположим, что насос представляет собой поршневой насос, а на стороне пара установлен поршневой двигатель (для простоты). В определенной части цикла клапаны поршня насоса и поршня двигателя открыты по направлению к котлу (насос подает воду в котел, а двигатель принимает пар из котла).

«Лицо» поршня насоса имеет, скажем, площадь поверхности 10 см², в то время как поршень парового двигателя имеет площадь поверхности 100 см². Предположим, что давление в котле составляет 200 кПа. Это означает, что поршень насоса должен будет пробиваться против 200000 Н / м² * 0,001 М² = 200 Н силы. В то время как это давление на паровой двигатель производит 200000N / M² * 0.1M² = 20kN. Понятно, что при прямой связи между насосом и двигателем паровой двигатель будет создавать гораздо большее усилие, чем насос должен подавать воду внутри котла против градиента давления.

Для сравнения, давайте предположим, что вместо закачки воды в котел насос забирает пар и закачивает его в котел. Если поршень насоса меньше (имеется в виду меньший ход или отверстие), количество массы воды, которая выходит из котла через двигатель, будет больше, чем количество массы, которая возвращается в котел через насос. Если оба равны, двигатель не будет генерировать мощность. В то время как если бы насос мог подавать больше пара в котел, чем он мог бы выйти, у вас был бы вышеупомянутый источник питания, то есть вопреки законам термодинамики. Вскоре котел израсходует массу, чтобы нагреться.

Но то, что перекачивается внутри котла, - это жидкая вода, а вода как жидкость имеет гораздо более высокую плотность, чем пар (то есть тот же объем содержит больше массы, чем жидкость, чем газ) - кроме того, что жидкости имеют фиксированный объем, в то время как газ может расширяться), когда этот небольшой объем закачивается в котел в виде воды, тепловая энергия, добавленная в систему, расширит эту массу в пар, который имеет большое давление и гораздо меньшую плотность, так что получается та же масса воды (в виде пара) из котла через двигатель, вам понадобится намного больший объем, чем тот, который вы использовали для помещения этой воды внутрь, что приведет к разнице в силах, оказываемых этим газом на поршень насоса (через столба воды) относительно поршня двигателя, определяя направление движения системы.

Есть идея?

Другими словами, способность воды изменять фазу и занимать больший объем, чем жидкость фиксированного объема, приводит к увеличению полезной мощности в этой системе. Откуда приходит энергия, чтобы вызвать изменение фазы, которое затем вызывает это повышение давления? Это от источника тепла. Куда идет энергия, отброшенная? Он выходит из конденсатора, где пар становится жидким, теряя объем, и снова вводится в котел в виде жидкости меньшего и фиксированного объема, и так далее ...

Ключевой идеей здесь является давление, равное силе, деленной на площадь.

Основная причина заключается в том, что для сжатия жидкости требуется гораздо меньше энергии, чем для газа с той же разностью давлений. Насосу требуется немного энергии для сжатия воды, но огромное количество энергии выделяется при расширении пара в турбине. Вот почему смена фазы используется в ранкинском и связанных циклах.

Еще одна вещь, которую следует учитывать, - это то, что насосу не нужно превышать мощность турбины, как вы сказали, - ему нужно только превышать давление .

Вы можете увидеть разницу в энергии между сжатием газа и жидкости при просмотре таблицы энтальпии против давления.

На турбине имеется перепад давления, который препятствует резервному копированию давления.

http://www.mpoweruk.com/images/rankine_pv.gif На приведенной выше диаграмме между точкой 2 и точкой 3 жидкость проходит через турбину, которая расширяется, одновременно подталкивая турбину и снижая давление. Если вы проигнорировали вал и вращение турбины, эту точку можно было бы почти заменить форсункой с таким же эффектом на цикл.

Из вашего описания звучит так, будто вы описываете систему хранения с насосом или игнорируете стадию нагрева / сгорания (от пункта 4 до пункта 1 на моей диаграмме). Эта ступень - то, что увеличивает давление системы сверх давления, которое создает насос.