מעגל רנקין

מעגל רנקין הוא מעגל תרמודינמי המכיל מנוע המופעל על ידי חום, ובייחוד מנועי קיטור.

המעגל קרוי על שם החוקר והמהנדס הסקוטי ויליאם רנקין, שתיאר אותו לראשונה בהרחבה, במסגרת המחקר שערך בנושא מנועי קיטור.

מעגל רנקין פועל על ידי שימוש בחום להחלפת מצב צבירה מנוזל לגז, ושימוש בלחץ הנוצר להנעה - בדרך כלל על ידי מדחף או טורבינה. מעגל רנקין מגיע ליעילות תיאורתית (קרנו) של 63% כאשר המנוע עובד עם נוזל עבודה במעגל סגור, והפרש הלחצים מהעיבוי מנוצל אף הוא. בתחנות כוח מודרניות מופעלות פחם מגיעים ליעילות (נצילות) של 42%. האדים, הנראים לעיתים יוצאים מארובות הקירור בתחנות כוח אינם נוזל העבודה, אלא נוזל קירור מאודה מתהליך הקירור או אדי מים מהאוויר בארובת הקירור.

ניתוח תרמודינמי  

במנוע מופעל טורבינה, כפי שמוצג בתרשים (הטורבינה עצמה אינה נראית) כל האנרגיה מהאידוי ומהעיבוי אובדים לסביבה אך החום שהתווסף למערכת בתהליך החימום מנוצל בטורבינה בעקבות זרימת נוזל העבודה בהפרש לחצים גבוה, והנעתה. במנוע במעגל סגור נדרשת גם אנרגיה להנעת הנוזל בחזרה אל מכל האידוי, אך כמות האנרגיה לשאיבת נוזלים היא מזערית, ביחס לכח הנדרש להניע את אותה כמות חומר כגז, אשר כאמור, בעקבות הפרש לחצים, לא רק שאינה דורשת כח, אדרבה היא הנותנת כח לפעולת המערכת. 

מעגל רנקין תאורטי מגדיר ארבעה תהליכים:
 א. שאיבת נוזל העבודה אל אזור בו הלחץ מוגבר. (מופיע בגרף בין 1 ל-2). מכיוון שמצב הצבירה הוא נוזל, אין צורך בהשקעת אנרגיה רבה לצורך כך.
 ב. העברת הנוזל למכל הרתחה (מופיע בגרף בין 2 ל-3). הנוזל מחומם בלחץ קבוע, עד שנוצרים אדים יבשים ורוויים.  החום הדרוש לשם כך ניתן לחישוב באמצעות טבלאות ידועות. 
 ג. האדים מתפשטים דרך טורבינה (מופיע בגרף בין 3 ל-4) ויצרים עבודה מהתנועה. 
 ד. האדים היוצאים מהטורבינה עוברים דרך מעבה, ההופך אותם שוב לנוזל, בלחץ קבוע - עד היותם "נוזל רווי" בטמפרטורת רתיחה. 

במעגל רנקין אידיאלי (תאורטי) - אין מחשבים את איבודי האנרגיה כתוצאה מהמשאבה ומהטורבינה. בגרף היו מתקבלים שני קווים אנכיים ללא אנטרופיה בתהליכים א' ו-ג' (מסומנים 1-2 וכן 3-4 בתרשים), הדומה מאוד למעגל קרנו. משום כך יש המכנים מעגל זה: "מעגל קרנו פרקטי".

מעגל רנקין אורגני (ORC)
 

מעגל רנקין אורגני Organic Rankine Cycle או ORC באנגלית, הוא מעגל רנקין המסתמך על נוזל עבודה בעל מסה מולקולרית גבוהה, ואשר נקודת הרתיחה שלהם בטמפרטורה נמוכה מזו של מים, ומאפשר ניצול חום טבעי מהאדמה, מקולטי חום פשוטים ומהתפרקות של זבל אורגני. כמו כן מעגל זה מאפשר ניצול שארית חום מתהליכים תעשייתיים. המעגל הומצא בידי צבי תבור ויהודה ברוניצקי. 

במעגל האידיאלי ההתפשטות איזנטרופית בלא איבוד אנרגיה, ואילו האידוי והעיבוי הם איזובריים בלחץ קבוע תוך איבוד אנרגיה. 

במציאות ישנם איבודי אנרגיה במהלכים לא הפיכים כתוצאה מאיבוד חום בעת ההתפשטות (בטורבינה) שאינה איזנטרופית, ובמחליפי החום, שם נדרשת מהירות העברת החום על חשבון נפילות לחץ, שפירושם אובדן חלק מן העבודה שהמערכת הייתה יכולה להפיק. 

בפועל, משתדלים להחזיר חלק מן האנרגיה האובדת, על ידי שימוש משני (או 'רגנרציה') לחימום מקדים של נוזלים בתהליכים תעשייתיים המניעים את המעגל האורגני. לדוגמה בתחנת כוח חשמלית, משתמשים במים לחימום מקדים של המים בטורבינה הגז הראשית. טורבינת הגז פועלת על פי מעגל רנקין רגיל (מנוע קיטור המונע על ידי מים, באמצעות חום ולחץ גבוהים מאוד). המים המתחממים כתוצאה מתהליך הקירור של הטורבינה, מניעים מעגל רנקין אורגני. המים החמימים היוצאים ממעגל הרנקין משמשים לחימום מקדים של המים למנוע הקיטור. 

בחירת נוזל העבודה הוא בעל חשיבות עליונה במנועים מסוג זה, מכיוון שמדות החום הנמוכות והפרש הטמפרטורות הקטן הם גורם מרכזי לירידת הנצילות והיעילות של המעגל. כדי להשיג עבודה בתנאים אלו, משתמשים בנוזלי קירור או בנוזלים פחמימתיים. נוזל העבודה במנוע רנקין אורגני הם בעלי התכונות הבאות:
 חומר בעל עקומת רוויה איזנטרופית לאדים: חומר כזה מאפשר תהליך איזנטרופי - חומר "יבש" כך שבמצב נוזלי הוא ללא נדיפות, ובמצב גז ללא התעבות - בייחוד בטמפרטורות ובלחצי המעבר הקיימים במערכת. 
 חומר בעל טמפרטורת קפיאה נמוכה - ויציבות גבוהה של מצב הצבירה
 חומר בעל צפיפות חום גבוהה וחום התאדות גבוה, על מנת לספוג במהירות יותר אנרגיה בעת האידוי, שתועבר בהמשך לטורבינה. תכונה זו מגדילה את התפוקה למנוע (ומחליפי חום) בנפח מסוים, ומאפשרת את הקטנת ממדי המנוע הנדרש.

עקומת רוויה של אדים

קישורים חיצוניים

 

תרמודינמיקה