Organický Rankinův cyklus - Organic Rankine cycle

Termodynamika | ||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
![]() Klasický Carnotův tepelný motor | ||||||||||||
| ||||||||||||
| ||||||||||||
The Organický Rankinův cyklus (ORC) je pojmenován pro jeho použití organická kapalina s vysokou molekulovou hmotností kapalnou párou změna fáze nebo bod varu, vyskytující se při nižší teplotě, než je změna fáze vodní páry. Tekutina umožňuje Rankinův cyklus rekuperace tepla ze zdrojů s nižší teplotou, jako je spalování biomasy, průmyslové odpadní teplo, Geotermální teplo, solární rybníky atd. Nízkoteplotní teplo se přemění na užitečnou práci, kterou lze samo přeměnit na elektřinu.
Tato technologie byla vyvinuta koncem padesátých let společností Lucien Bronicki a Harry Zvi Tabor.[1][2]
Naftové motory, v zásadě podobné ORC, ale vyvinuté pro jiné aplikace, se používaly již v 90. letech 19. století.
Princip fungování ORC

Pracovní princip organického Rankinova cyklu je stejný jako princip Rankinův cyklus: pracovní kapalina je čerpána do a kotel kde se odpaří, prochází expanzním zařízením (turbína,[3] šroub,[4] svitek,[5] nebo jiný expandér) a poté přes kondenzátorový výměník tepla, kde je nakonec znovu kondenzován.
V ideálním cyklu popsaném teoretickým modelem motoru je expanze isentropic a procesy odpařování a kondenzace jsou isobarický.
V každém reálném cyklu je přítomnost nevratnosti snižuje cyklus účinnost. K těmto nevratnostem dochází hlavně:[6]
- Během expanze: Pouze část energie využitelné z tlakového rozdílu se přemění na užitečnou práci. Druhá část se přemění na teplo a ztratí se. Účinnost expandéru je definována porovnáním s isentropickou expanzí.
- Ve výměnících tepla: Pracovní tekutina prochází dlouhou a klikatou cestou, která zajišťuje dobrou výměnu tepla, ale způsobuje poklesy tlaku které snižují množství energie využitelné z cyklu. Podobně se vytváří teplotní rozdíl mezi zdrojem tepla / jímkou a pracovní tekutinou exergie destrukce a snižuje výkonnost cyklu.
Vylepšení organického Rankinova cyklu
V případě „suché tekutiny“ lze cyklus zlepšit použitím regenerátoru: protože tekutina nedosáhla na konci expanze dvoufázového stavu, je její teplota v tomto bodě vyšší než kondenzace teplota. Tato kapalina o vyšší teplotě může být použita k předehřátí kapaliny před jejím vstupem do výparníku.
Protiproud výměník tepla (plyn na kapalinu) je tedy instalován mezi výstup expandéru a vstup kondenzátoru. Síla potřebná ze zdroje tepla se proto sníží a zvýší se účinnost.
Žádosti o ORC
Část seriálu o |
Udržitelná energie |
---|
![]() |
Přehled |
Úspora energie |
Obnovitelná energie |
Udržitelná doprava |
|
Část série na |
Obnovitelná energie |
---|
![]() |
Organická Rankinova cyklická technologie má mnoho možných aplikací a počítá s více než 2,7 GW instalovaného výkonu a 698 identifikovaných elektráren po celém světě.[7] Mezi nejrozšířenější a nejslibnější pole patří:[8]
Rekuperace odpadního tepla
Rekuperace odpadního tepla je jedním z nejdůležitějších vývojových polí pro organický Rankinův cyklus (ORC). Může být aplikován na teplo a elektrárny (například v malém měřítku kogenerace zařízení na ohřev vody pro domácnost) nebo na průmyslové a zemědělské procesy, jako je fermentace organických produktů, horké výfukové plyny z pecí nebo pecí (např. pece na vápno a cement), kondenzace spalin, výfukové plyny z vozidel, mezichladič kompresoru, kondenzátor energetického cyklu atd.
Elektrárna na biomasu
Biomasa je k dispozici po celém světě a lze ji použít k výrobě elektřiny v malém až středním rozsahu elektrárny. Problém vysokých specifických investičních nákladů na strojní zařízení, jako jsou parní kotle, je překonán kvůli nízkým pracovním tlakům v elektrárnách ORC. Další výhodou je dlouhá životnost stroje díky charakteristikám pracovní tekutiny, která na rozdíl od páry není erodující a nekorodující pro trubky sedel ventilů a lopatky turbíny. Proces ORC také pomáhá překonat relativně malé množství vstupního paliva dostupného v mnoha regionech, protože u menších zařízení je možná efektivní elektrárna ORC.
Geotermální rostliny
Geotermické zdroje tepla se mění v teplotách od 50 do 350 ° C. ORC je proto dokonale přizpůsoben pro tento druh aplikace. Je však důležité mít na paměti, že u nízkoteplotních geotermálních zdrojů (typicky méně než 100 ° C) je účinnost velmi nízká a silně závisí na teplotě chladiče (definované teplotou okolí).
Solární tepelná energie
Organický Rankinův cyklus lze použít v sluneční parabolický žlab technologie místo obvyklého parního Rankinova cyklu. ORC umožňuje výrobu energie při nižších kapacitách as nižší teplotou kolektoru, a tedy možnost levného decentralizovaného malého rozsahu CSP Jednotky.[9][10]
Volba pracovní tekutiny
Výběr pracovní kapalina má klíčový význam v Rankinových cyklech s nízkou teplotou. Kvůli nízké teplotě jsou neúčinnosti přenosu tepla velmi škodlivé. Tyto neúčinnosti velmi silně závisí na termodynamických vlastnostech kapaliny a na provozních podmínkách.
Aby se obnovilo teplo nízké kvality, má kapalina obecně nižší teplotu varu než voda. Chladiva a uhlovodíky jsou dvě běžně používané složky.
Optimální vlastnosti pracovní kapaliny:
- Isentropic křivka nasycení par :
Jelikož se účel ORC zaměřuje na rekuperaci nízké tepelné energie, není přehřátý přístup, jako je tradiční Rankinův cyklus, vhodný. Proto bude vždy upřednostňováno malé přehřátí na výstupu z výparníku, což znevýhodňuje „mokré“ tekutiny (které jsou na konci expanze ve dvoufázovém stavu). V případě suchých kapalin je třeba použít regenerátor.
- Nízký bod tuhnutí, vysoká teplota stability:
Na rozdíl od vody, organické tekutiny obvykle trpí chemickým poškozením a rozkladem při vysokých teplotách. Maximální teplota zdroje tepla je tak omezena chemickou stabilitou pracovní tekutiny. Bod tuhnutí by měl být nižší než nejnižší teplota v cyklu.
- Vysoké výparné teplo a hustota:
Kapalina s vysokým latentním teplem a hustotou absorbuje více energie ze zdroje ve výparníku, a tím snižuje požadovaný průtok, velikost zařízení a spotřebu čerpadla.
- Nízký dopad na životní prostředí
Hlavními zohledněnými parametry jsou Potenciál poškození ozonu (ODP) a potenciál globálního oteplování (GWP).
- Bezpečnost
Kapalina by měla být nekorozivní, nehořlavá a netoxická. Bezpečnostní klasifikaci chladiv ASHRAE lze použít jako indikátor úrovně nebezpečnosti kapaliny.
- Dobrá dostupnost a nízké náklady
- Přijatelné tlaky
Příklady pracovních kapalin
- CFC: Zakázáno Montrealský protokol v důsledku vyčerpání ozonu (např. R-11, R-12 )
- HCFC: Postupné vyřazování z důvodu kodaňského dodatku k Montrealskému protokolu (např. R-22, R-123 )
- HFC (např. R134a, R245fa )
- HC: Hořlavý, běžný vedlejší produkty zařízení na zpracování plynu (např. isobutan, pentan, propan )
- PFC[11]
Modelování systémů ORC
Simulace cyklů ORC vyžaduje numerické řešení, ve kterém jsou implementovány rovnice hmotnostní a energetické bilance, přenosu tepla, tlakových ztrát, mechanických ztrát, úniků atd. Modely ORC lze rozdělit na dva hlavní typy: ustálený stav a dynamický. Rovnovážné modely jsou vyžadovány jak pro účely návrhu (nebo dimenzování), tak pro simulaci částečného zatížení. Dynamické modely na druhé straně také zohledňují akumulaci energie a hmoty v různých složkách. Jsou zvláště užitečné pro implementaci a simulaci strategií řízení, např. během přechodných stavů nebo během startu & Dalším klíčovým aspektem modelování ORC je výpočet organické tekutiny termodynamické vlastnosti. Jednoduchý stavová rovnice (EOS), jako je Peng-Robinson, je třeba se vyhnout, protože jejich přesnost je nízká. Upřednostňován by měl být multiparametrový EOS, který by používal např. nejmodernější databáze termofyzikálních a transportních vlastností.
Pro výše uvedené účely jsou k dispozici různé nástroje, z nichž každý představuje výhody a nevýhody. Nejběžnější jsou uvedeny níže.
Nářadí | Kauzalita | Rozdělení | Příklady dostupné online | Popis | |
---|---|---|---|---|---|
Nástroje pro modelování v ustáleném stavu: | |||||
Softwarová platforma AxCYCLE | Kauzální | Nesvobodný | Podrobnosti o softwaru | Pro termodynamickou simulaci a výpočty tepelné bilance výroby tepla a cyklů elektrické energie umožňuje softwarová platforma AxCYCLE ™ uživatelům rychle a efektivně navrhovat, analyzovat a optimalizovat termodynamické systémy. | |
ProSimPlus | / | Nesvobodný | Podrobnosti o softwaru | Snadno použitelný software pro simulaci v ustáleném stavu a optimalizaci procesů, který zahrnuje kompletní termodynamický balíček. | |
Řešitel technických rovnic | Kauzální | Nesvobodný | Jednoduchý model ORC v EES | Populární řešič založený na rovnicích, který obsahuje databázi termodynamických a transportních vlastností tekutin. | |
MATLAB | Kauzální | Nesvobodný | Jazykové a interaktivní prostředí na vysoké úrovni pro numerické výpočty, vizualizaci a programování | ||
LMS Imagine.Lab Amesim | Kauzální a kauzální | Nesvobodný | Grafické vývojové prostředí a ověřené, zabalené fyzické knihovny pro simulaci systému | ||
GT-SUITE | Kauzální | Nesvobodný | Cummins Super Truck WHR | Kompletní prostředí pro modelování více fyziků určené pro modelování integrovaného systému | |
Scilab | Kauzální | Otevřený zdroj | Jednoduchý model ORC | Open-source alternativa k Matlabu. | |
Cycle-Tempo | Kauzální | Nesvobodný | Nástroj pro termodynamickou analýzu a optimalizaci systémů pro výrobu elektřiny, tepla a chlazení | ||
Nástroje pro dynamické modelování: | |||||
Modelica | Kauzální | Otevřený zdroj | Dynamický model systému rekuperace odpadního tepla | Objektově orientovaný, deklarativní, vícedoménový modelovací jazyk pro komponentně orientované modelování komplexních systémů | |
Simulink | Kauzální | Nesvobodný | Prostředí blokového diagramu pro simulaci více domén a návrh založený na modelu | ||
GT-SUITE | Kauzální | Nesvobodný | Cummins Super Truck WHR | Kompletní prostředí pro modelování více fyziků určené pro modelování integrovaného systému | |
LMS Imagine.Lab Amesim | Kauzální a kauzální | Nesvobodný | Modelování rostlin v malém měřítku pomocí simulačního nástroje AMESim [...] | Grafické vývojové prostředí a ověřené, zabalené fyzické knihovny pro simulaci systému | |
Termofyzikální a transportní vlastnosti organických tekutin: | |||||
Simulisova termodynamika | / | Nesvobodný | Software pro výpočty vlastností směsi a rovnováhy tekutých fází. | ||
CoolProp | / | Otevřený zdroj | Meziplatformová bezplatná databáze vlastností založená v C ++, která obsahuje čisté kapaliny, pseudočisté kapaliny a vlastnosti vlhkého vzduchu. | ||
Refprop | / | Nesvobodný | Referenční databáze termodynamických a transportních vlastností tekutin | ||
FluidProp | / | Volný, uvolnit | Software pro výpočet termofyzikálních vlastností tekutin | ||
AspenProp | / | Nesvobodný | Software pro výpočet termofyzikálních vlastností tekutin |
Viz také
- Rankinův cyklus
- Termodynamický cyklus
- Relativní náklady na elektřinu vyrobenou z různých zdrojů
- Spuštění nafty
- Pracovní kapaliny
Reference
- ^ Harry Zvi Tabor, Cleveland Cutler, Encyklopedie Země, 2007.
- ^ Izraelská sekce Mezinárodní společnosti pro solární energii Archivováno 2009-01-11 na Wayback Machine, editoval Gershon Grossman, Fakulta strojní energie, Technion, Haifa; Konečný návrh.
- ^ Arifin, M .; Pasek, A. D. (2015). „Návrh radiálních turbodmychadel pro malý organický Rankinův cyklový systém“. 7. mezinárodní konference o technologiích chlazení a vytápění. 88 (88): 012037. Bibcode:2015MS & E ... 88a2037A. doi:10.1088 / 1757-899X / 88/1/012037.
- ^ Ziviani, Davide; Gusev, Sergej; Schuessler, Stefan; Achaichia, Abdennacer; Braun, James E .; Groll, Eckhard A .; Paepe, Michel De; van den Broek, Martijn (13. září 2017). „Zaměstnávání expandéru s jedním šroubem v organickém Rankinově cyklu s expanzí zaplavenou tekutinou a vnitřní regenerací“. Energetické postupy. 129: 379. doi:10.1016 / j.egypro.2017.09.239.
- ^ Galloni, E .; Fontana, G .; Staccone, S. (25. července 2015). "Návrh a experimentální analýza elektrárny mini ORC (organický Rankinův cyklus) založené na pracovní tekutině R245fa". Energie. 90: 768–775. doi:10.1016 / j.energy.2015.07.104.
- ^ Udržitelná přeměna energie pomocí organických Rankinových cyklů pro rekuperaci odpadního tepla a solární aplikace (PDF) (Teze). University of Lutych, Lutych, Belgie. 04.10.2011. Citováno 2011-10-31.
- ^ T. Tartiere. „Mapa světa ORC“. Citováno 16. srpna 2016.
- ^ Quoilin, Sylvain; Broek, Martijn Van Den; Declaye, Sébastien; Dewallef, Pierre; Lemort, Vincent (2013). „Techno-economic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) systems“ (PDF). Recenze obnovitelné a udržitelné energie. 22: 168–186. doi:10.1016 / j.rser.2013.01.028. Citováno 2013-03-02.
- ^ "Solární mikrogenerátor". Stginternational.org. Archivovány od originálu dne 2013-03-03. Citováno 2017-04-29.CS1 maint: BOT: stav původní adresy URL neznámý (odkaz)
- ^ „Síla ze slunce :: Kapitola 12.2 Rankinovy cykly napájení“. Síla ze slunce. Citováno 2017-04-29.
- ^ „TURBODEN - Organic Rankine Cycle systems“ (PDF).