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.

Układ ORC

Zasada działania ORC

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.

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

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

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

Odzysk ciepła odpadowego

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

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

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 nie opłacalne jest wykorzystywanie takich źródeł. W 2019 roku zastosowanie tej technologii rozważała Geotermia Podhalańska[3].

Elektrownie słoneczne

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

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

MediumMasa molowaPunkt krytycznyTemperatura

wrzenia(1atm)

Ciepło

parowania (1atm)

Entalpia na

krzywej nasycenia

Wpływ na

środowisko i inne

Amoniak (NH3)17405,3 K11,33 MPa239,7 K1347 kJ/kgujemny750 K
Etanol (C2H5OH)46,07516,25 K6,38 MPa351,15 K845 kJ/kgujemny
Woda18647,0 K22,06 MPa373,0 K2256 kJ/kgujemny.
n-Butan C4H1058,1425,2 K3,80 MPa272,6 K383,8 kJ/kg..
n-Pentan C5H1272,2469,8 K3,37 MPa309,2 K357,2 kJ/kg..
C6H6 (Benzol)78,14562,2 K4,90 MPa353,0 K438,7 kJ/kgdodatni600 K
C7H8 (Toluol)92,1591,8 K4,10 MPa383,6 K362,5 kJ/kgdodatni.
R134a (HFC-134a)102374,2 K4,06 MPa248,0 K215,5 kJ/kgizentropa450 K
C8H10106,1616,2 K3,50 MPa411,0 K339,9 kJ/kgdodatni.
R12121385,0 K4,13 MPa243,2 K166,1 kJ/kgizentropa450 K
HFC-245fa134,1430,7 K3,64 MPa288,4 K208,5 kJ/kg.520 K
HFC-245ca134,1451,6 K3,86 MPa298,2 K217,8 kJ/kg..
R11 (CFC-11)137471,0 K4,41 MPa296,2 K178,8 kJ/kgizentropa420 K
HFE-245fa150444,0 K3,73 MPa....
HFC-236fa152403,8 k3,18 MPa272,0 K168,8 kJ/kg..
R123152,9456,9 K3,70 MPa301,0 K171,5 kJ/kgdodatni.
CFC-114170,9418,9 K3,26 MPa276,7 K136,2 kJ/kg..
R113187487,3 K3,41 MPa320,4 K143,9 kJ/kgdodatni450 K
n-Perfluorpentan C5F12288420,6 K2,05 MPa302,4 K87,8 kJ/kg..

Przypisy

  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

Media użyte na tej stronie