Organiczny cykl Rankine’a

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania

Organiczny cykl Rankine'a (ORC z ang. Organic rankine cycle) swą nazwę zawdzięcza nietypowemu czynnikowi roboczemu, którego przemiana ze stanu ciekłego w stan gazowy następuje w o wiele niższej temperaturze niż dla powszechnie używanego czynnika – wody. Czynnik ten pozwala w tym obiegu pozyskać ciepło z takich źródeł jak: spalanie biomasy, ciepła jako odpadu przemysłowego, ze źródeł geotermalnych, kolektorów słonecznych i innych. Niskotemperaturowe ciepło może być przekształcone w pracę użyteczną, a ta z kolei w produkcję energii elektrycznej. Pierwszy prototyp został zaprojektowany i wystawiony w 1961 roku przez Harry Zvi Tabor i Lucien Bronicki.

Układ ORC

Zasada działania ORC[edytuj | edytuj kod]

Zasada działania obiegu ORC jest taka sama jak dla tradycyjnego obiegu Rankine'a. Czynnik roboczy jest pompowany do komory spalania (wymiennika ciepła), gdzie zostaje odparowany a następnie zachodzi jego ekspansja na turbinie. Para z turbiny, zostaje przekierowana do skraplacza, gdzie zostaje skondensowana do fazy ciekłej.

Obieg ORC w układzie Temperatura-Entropia

W idealnym cyklu Rankine'a proces ekspansji pary na turbinie jest izentropowy, natomiast procesy kondensacji i odparowywania czynnika są izobaryczne.

Niestety cykl rzeczywisty jest cyklem nieodwracalnym(występują straty energii) , a więc sprawność całego obiegu ulega zmniejszeniu. Głównymi źródłami tych strat są:[1]

  • podczas ekspansji pary na turbinie – tylko część energii zużywana jest na pracę użyteczną, a reszta w postaci ciepła jest tracona. Sprawność turbiny określa się porównując przemianę rzeczywistą, z przemianą izentropową.
  • w skraplaczu : jest to źródło największych strat energii w całym obiegu, ponieważ ciepło jest odbierane od czynnika, by ten mógł powrócić do fazy ciekłej.

Zwiększenie sprawności obiegu ORC[edytuj | edytuj kod]

Podobnie jak dla tradycyjnego obiegu Rankine'a, stosujemy

  • regeneracje ciepła – część pary zostaje upuszczona z turbiny i jej zadaniem jest wstępne podgrzanie wody skondensowanej z skraplacza.
  • między stopniowy przegrzew pary – para opuszczająca turbinę numer 1 zostaję zawrócona do komory spalania(wymiennika ciepła), a następnie zostaje skierowana do turbiny nr 2. Dalsza część obiegu nie ulega zmianie.

Niekonwencjonalne źródła ciepła dla technologii ORC[edytuj | edytuj kod]

W obiegu ORC możemy wykorzystać wiele źródeł ciepła, a najważniejsze z nich przedstawiono poniżej:[2]

Odzysk ciepła odpadowego[edytuj | edytuj kod]

Odzysk ciepła odpadowego z ang. "waste heat" jest jednym z najważniejszych obszarów rozwoju dla technologii ORC. Może być ona wykorzystywana w kogeneracji np. w elektrociepłowniach/elektrowniach (rola skraplacza), w procesach rolniczych, przemysłowych (gorące spaliny z pieców, odzysk ciepła spalin w pojazdach spalinowych).

Wykorzystanie biomasy do spalania[edytuj | edytuj kod]

Biomasa jest surowcem dostępnym na całym świecie i może być stosowana do wytwarzania elektryczności w małych elektrowniach. Wysokie koszty inwestycyjne, związane z uruchomieniem bloku (tradycyjny obieg CR)na biomasę, dla ORC został on zmniejszony ze względu na niższe ciśnienie czynnika w tym obiegu. Oprócz tego w przeciwieństwie do tradycyjnego czynnika (wody), nie powoduje korozji maszyn, dzięki czemu elementy turbiny i zaworów rurowych nie ulegają rdzewieniu.

Źródła geotermalne[edytuj | edytuj kod]

Temperatura źródeł geotermalnych waha się w granicy od 50 °C do 400 °C. Technologia ORC jest więc idealnie przystosowana do tego typu rozwiązań. Jednakże należy pamiętać, że dla temperatury mniejszej niż 100 °C sprawność obiegu jest bardzo niska, a co za tym idzie nie opłacalne jest wykorzystywanie wszystkich dostępnych źródeł.

Elektrownie koncentryczne[edytuj | edytuj kod]

Kolejnym źródłem ciepła, jakie możemy wykorzystać są elektrownie koncentryczne. Wyróżniamy dwa typy rozwiązań elektrowni:

  • konfiguracja łódkowa
  • konfiguracja wieżowa

Obecnie elektrownie te oparte są na tradycyjnym obiegu parowym. W przypadku zastosowania ORC, możemy zastosować mniejsze pojemności układu, jak również potrzebujemy niższej temperatury z kolektora. Dzięki temu koszty budowy takiej elektrowni stają się niższe, a długość pracy w ciągu roku się wydłuża[3].

Wybór cieczy roboczej[edytuj | edytuj kod]

Wybór odpowiedniej cieczy roboczej jest niezwykle ważna dla pracy w niskotemperaturowym cyklu Rankine'a. Ze względu na niską temperaturę, brak skuteczności wymiany ciepła jest bardzo szkodliwy dla całego procesu. Ten negatywny wpływ silnie zależy od charakterystyki danej cieczy oraz od warunków w jakich pracuje.
W celu odzyskania ciepła, ciecz robocza posiada o wiele niższą temperaturę wrzenia niż w przypadku powszechnie używanej wody. Najczęściej używane są substancję chłodzące (stosowane np. w pompach ciepła) lub węglowodory.
Optymalne właściwości dla płynu roboczego:

  • Izentropowa krzywa nasycenia pary

Zastosowanie cyklu ORC skupia się na odzyskiwaniu niskotemperaturowego ciepła, dlatego podejście identyczne jak dla tradycyjnego układu Rankine'a jest niepoprawne. Korzystne są małe przegrzewy na wyjściu z parownika.

  • Niska temperatura zamarzania, wysoka stabilność temperaturowa

W przeciwieństwie do wody, ciecze organiczne w wysokich temperaturach ulegają rozkładowi lub ich właściwości fizyczne się zmieniają. Wynika z tego, że maksymalna temperatura źródła ciepła jest ograniczona stabilnością chemiczną zastosowanej przez nas cieczy roboczej. Natomiast temperatura krzepnięcia powinna znajdować się poniżej najniższej temperatury w cyklu.

  • Wysokie ciepło parowania i gęstość

Płyn o wysokim cieple parowania i gęstości jest w stanie zaabsorbować więcej energii ze źródła. Dzięki temu możemy zmniejszyć szybkość przepływu, wielkość całego układu oraz zmniejszyć zapotrzebowanie pomp na energię elektryczną.

  • Niewielki wpływ na środowisko

Ciecz robocza powinna się charakteryzować małą zdolnością do niszczenia warstwy ozonowej oraz małą podatnością na globalne ocieplenie.

  • Bezpieczeństwo

Powinien nie powodować korozji, być nie palny oraz nie toksyczny.Klasyfikacja bezpieczeństwa ASHRAE czynników chłodniczych może być stosowana jako wskaźnik poziomu niebezpieczeństwa dla danej cieczy roboczej.

  • Dobra dostępność, niski koszt

Przykłady cieczy roboczych[edytuj | edytuj kod]

Medium Masa molowa Punkt krytyczny Temperatura

wrzenia(1atm)

Ciepło

parowania (1atm)

Entalpia na

krzywej nasycenia

Wpływ na

środowisko i inne

Amoniak (NH3) 17 405,3 K 11,33 MPa 239,7 K 1347 kJ/kg negatywny 750 K
Etanol (C2H5OH) 46,07 516,25 K 6,38 MPa 351,15 K 845 kJ/kg negatywny
Woda 18 647,0 K 22,06 MPa 373,0 K 2256 kJ/kg negatywny .
n-Butan C4H10 58,1 425,2 K 3,80 MPa 272,6 K 383,8 kJ/kg . .
n-Pentan C5H12 72,2 469,8 K 3,37 MPa 309,2 K 357,2 kJ/kg . .
C6H6 (Benzol) 78,14 562,2 K 4,90 MPa 353,0 K 438,7 kJ/kg pozytywny 600 K
C7H8 (Toluol) 92,1 591,8 K 4,10 MPa 383,6 K 362,5 kJ/kg pozytywny .
R134a (HFC-134a) 102 374,2 K 4,06 MPa 248,0 K 215,5 kJ/kg izentropa 450 K
C8H10 106,1 616,2 K 3,50 MPa 411,0 K 339,9 kJ/kg pozytywny .
R12 121 385,0 K 4,13 MPa 243,2 K 166,1 kJ/kg izentropa 450 K
HFC-245fa 134,1 430,7 K 3,64 MPa 288,4 K 208,5 kJ/kg . 520 K
HFC-245ca 134,1 451,6 K 3,86 MPa 298,2 K 217,8 kJ/kg . .
R11 (CFC-11) 137 471,0 K 4,41 MPa 296,2 K 178,8 kJ/kg izentropa 420 K
HFE-245fa 150 444,0 K 3,73 MPa . . . .
HFC-236fa 152 403,8 k 3,18 MPa 272,0 K 168,8 kJ/kg . .
R123 152,9 456,9 K 3,70 MPa 301,0 K 171,5 kJ/kg pozytywny .
CFC-114 170,9 418,9 K 3,26 MPa 276,7 K 136,2 kJ/kg . .
R113 187 487,3 K 3,41 MPa 320,4 K 143,9 kJ/kg pozytywny 450 K
n-Perfluorpentan C5F12 288 420,6 K 2,05 MPa 302,4 K 87,8 kJ/kg . .

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. "[1] Sustainable energy conversion through the use of Organic Rankine Cycles for waste heat recovery and solar applications"
  2. [2]Enertime Current ORC Market Retrieved October 2011
  3. [3] Solar micro-generator Stginternational.org Retrieved 2010-09-15