Organiczny cykl Rankine’a


Organiczny cykl Rankine’a w encyklopedii

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

Spis treści

Zasada działania ORC | 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 kod

Podobnie jak dla tradycyjnego obiegu Rankine'a, stosujemy

  • regenerację ciepła – część pary zostaje upuszczona z turbiny i jej zadaniem jest wstępne podgrzanie wody skondensowanej z skraplacza.
  • międzystopniowy 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 kod

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

Odzysk ciepła odpadowego | 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 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 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. W 2019 roku zastosowanie tej technologii rozważała Geotermia Podhalańska[3].

Elektrownie koncentryczne | 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[4].

Wybór cieczy roboczej | 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 kod

Przypisy | 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. Geotermia na razie przegrywa ze smogiem, WysokieNapiecie.pl, 17 stycznia 2019 [dostęp 2020-11-05]  (pol.).
  4. [3] Solar micro-generator Stginternational.org Retrieved 2010-09-15
Na podstawie artykułu: "Organiczny cykl Rankine’a" pochodzącego z Wikipedii
OryginałEdytujHistoria i autorzy