Organiczny cykl Rankine’a
Organiczny cykl Rankine'a (ORC z ang. Organic rankine cycle) – obieg termodynamiczny, w którym zachodzi, tak jak w obiegu Rankine’a, parowanie i skraplanie czynnika roboczego, ale nie jest nim woda, a związek organiczny o niskiej temperaturze wrzenia. Czynnik taki pozwala na konstrukcję silnika cieplnego pozyskującego ciepło ze źródeł o niższej temperaturze, takich jak: spalanie biomasy o niskiej kaloryczności, ciepła odpadowego procesów przemysłowych, energii geotermalnej, kolektorów słonecznych i innych. Niskotemperaturowe ciepło może być przekształcone w pracę użyteczną, a ta z kolei w energię elektryczną. Pierwszy prototyp został zaprojektowany i opublikowany w 1961 roku przez Harry Zvi Tabor i Lucien Bronicki.
Zasada działania ORC[edytuj | edytuj kod]
Zasada działania obiegu ORC jest taka sama jak dla tradycyjnego obiegu Rankine'a. Czynnik roboczy jest pompowany do wytwornicy pary, gdzie zostaje podgrzany i odparowuje, następnie zachodzi jego ekspansja w turbinie. Para z turbiny, zostaje przekierowana do skraplacza, gdzie zostaje skondensowana do fazy ciekłej.
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, stosuje się:
- regenerację ciepła – część pary zostaje upuszczona z turbiny i jej zadaniem jest wstępne podgrzanie wody skondensowanej ze skraplacza.
- międzystopniowy przegrzew pary – para opuszczająca turbinę numer 1 zostaje 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 można wykorzystać wiele źródeł ciepła, a najważniejsze z nich przedstawiono poniżej[2].
Odzysk ciepła odpadowego[edytuj | edytuj kod]
Odzysk ciepła odpadowego 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 zostały zmniejszone 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 granicach od 50 °C do 400 °C. Technologia ORC jest więc idealnie przystosowana do tego typu rozwiązań. Jednakże dla temperatury mniejszej niż 100 °C sprawność obiegu jest bardzo mała, a co za tym idzie nieopłacalne jest wykorzystywanie takich źródeł. W 2019 roku zastosowanie tej technologii rozważała Geotermia Podhalańska[3].
Elektrownie słoneczne[edytuj | edytuj kod]
Kolejnym źródłem ciepła, jakie można wykorzystać są kolektory słoneczne koncentryczne. Obecnie elektrownie te oparte są na tradycyjnym obiegu parowym. W przypadku zastosowania ORC, można zastosować mniejsze pojemności układu, jak również potrzeba niższej temperatury z kolektora. Dzięki temu koszty budowy takiej elektrowni stają się niższe, a długość pracy w ciągu roku się wydłuża[4].
Ciecz robocza[edytuj | edytuj kod]
Wybór odpowiedniej cieczy roboczej jest niezwykle ważny 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 ma niższą temperaturę wrzenia niż w przypadku powszechnie używanej wody. Najczęściej używane są substancje chłodzące stosowane np. w pompach ciepła lub węglowodory.
Optymalne właściwości 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 nieefektywne. 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 zmieniają właściwości fizyczne. Wynika z tego, że maksymalna temperatura źródła ciepła jest ograniczona stabilnością chemiczną zastosowanej cieczy roboczej. Natomiast temperatura krzepnięcia powinna niższa od 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 zmniejsza się prędkość przepływu, wielkość całego układu oraz zapotrzebowanie pomp na energię elektryczną.
- Niewielki wpływ na środowisko. Ciecz robocza powinna się charakteryzować małą zdolnością do niszczenia warstwy ozonowej oraz małym wpływem na globalne ocieplenie.
- Bezpieczeństwo. Powinien nie powodować korozji, być niepalny oraz nietoksyczny. 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 | ujemny | 750 K |
Etanol (C2H5OH) | 46,07 | 516,25 K | 6,38 MPa | 351,15 K | 845 kJ/kg | ujemny | |
Woda | 18 | 647,0 K | 22,06 MPa | 373,0 K | 2256 kJ/kg | ujemny | . |
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 | dodatni | 600 K |
C7H8 (Toluol) | 92,1 | 591,8 K | 4,10 MPa | 383,6 K | 362,5 kJ/kg | dodatni | . |
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 | dodatni | . |
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 | dodatni | . |
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 | dodatni | 450 K |
n-Perfluorpentan C5F12 | 288 | 420,6 K | 2,05 MPa | 302,4 K | 87,8 kJ/kg | . | . |
Przypisy[edytuj | edytuj kod]
- ↑ Sustainable energy conversion through the use of Organic Rankine Cycles for waste heat recovery and solar applications [online] [dostęp 2023-12-11] .
- ↑ ORC - Modules orc : fabricants, applications Biomasse, Récupération Chaleur [online] [dostęp 2023-12-11] [zarchiwizowane z adresu 2016-03-11] (fr.).
- ↑ Geotermia na razie przegrywa ze smogiem [online], WysokieNapiecie.pl, 17 stycznia 2019 [dostęp 2020-11-05] (pol.).
- ↑ STG - Technology - How It Works [online] [dostęp 2023-12-11] [zarchiwizowane z adresu 2013-03-03] .