В теплотехнике органический цикл Ренкина ( ОРЦ ) является разновидностью термодинамического цикла . Это разновидность цикла Ренкина , названная в честь использования органической жидкости с высокой молекулярной массой (по сравнению с водой), температура испарения которой ниже, чем у воды . Жидкость позволяет рекуперировать тепло из источников с более низкой температурой, таких как сжигание биомассы, тепло промышленных отходов , геотермальное тепло , солнечные пруды и т. д. Низкотемпературное тепло преобразуется в полезную работу , которая сама может быть преобразована в электричество .
Технология была разработана в конце 1950-х годов Люсьеном Броницки и Гарри Цви Табором . [1] [2]
Двигатели нафты , по принципу похожие на ORC, но разработанные для других целей, использовались еще в 1890-х годах.
Принцип работы органического цикла Ренкина такой же, как и цикла Ренкина : рабочее тело перекачивается в котел , где испаряется, проходит через расширительное устройство (турбина, [3] шнек, [4] улитка, [ 5] или другой расширитель), а затем через теплообменник-конденсатор, где окончательно повторно конденсируется.
В идеальном цикле, описанном теоретической моделью двигателя, расширение является изоэнтропическим , а процессы испарения и конденсации изобарными .
В любом реальном цикле наличие необратимости снижает эффективность цикла . Эти необратимости в основном происходят: [6]
Технология органического цикла Ренкина имеет множество возможных применений: ее установленная мощность составляет более 2,7 ГВт, а установленная мощность составляет 698 электростанций по всему миру. [7] Среди них наиболее распространенными и перспективными являются следующие: [8]
Рекуперация отходящего тепла является одним из наиболее важных направлений развития органического цикла Ренкина (ORC). Его можно применять на теплоэлектростанциях ( например, на небольших когенерационных установках на бытовых водонагревателях) или в промышленных и сельскохозяйственных процессах, таких как ферментация органических продуктов, горячие выхлопы из печей или печей (например, печей для обжига извести и цемента), конденсация дымовых газов , выхлопные газы транспортных средств, промежуточное охлаждение компрессора, конденсатора энергетического цикла и т. д.
Биомасса доступна во всем мире и может использоваться для производства электроэнергии на электростанциях малого и среднего размера . Проблема высоких удельных инвестиционных затрат на оборудование, такое как паровые котлы, решается за счет низкого рабочего давления на электростанциях ORC. Еще одним преимуществом является длительный срок эксплуатации машины благодаря характеристикам рабочей жидкости, которая в отличие от пара не вызывает эрозии и коррозии седел клапанов, трубок и лопаток турбины. Процесс ORC также помогает преодолеть относительно небольшое количество входного топлива, доступного во многих регионах, поскольку эффективная электростанция ORC возможна для станций меньшего размера.
Геотермические источники тепла имеют температуру от 50 до 350 °C. Таким образом, ORC идеально адаптирован для такого рода применений. Однако важно иметь в виду, что для низкотемпературных геотермальных источников (обычно менее 100 °C) эффективность очень низкая и сильно зависит от температуры радиатора (определяемой температурой окружающей среды).
Органический цикл Ренкина может использоваться в технологии солнечных параболических желобов вместо обычного парового цикла Ренкина. ORC позволяет производить электроэнергию при более низких мощностях и более низкой температуре коллектора и, следовательно, дает возможность использовать недорогие небольшие децентрализованные установки CSP . [9] [10] ORC также позволяет гибридным системам CSP-PV , оснащенным накопителями тепловой энергии , обеспечивать по требованию восстановление до 70% мгновенной выработки электроэнергии и может быть довольно эффективной альтернативой другим типам накопления электроэнергии. . [11] [12]
В последнее время обсуждаются так называемые ветроэнергетические турбины, которые могут преобразовывать энергию ветра непосредственно в тепло средней температуры (до 600°C). [13] Их можно комбинировать с аккумулятором тепла, а также использовать с ORC для выработки электроэнергии.
Выбор рабочей жидкости имеет ключевое значение в низкотемпературных циклах Ренкина. Из-за низкой температуры неэффективность теплопередачи очень вредна. Эта неэффективность очень сильно зависит от термодинамических характеристик жидкости и условий эксплуатации.
Для рекуперации низкопотенциального тепла жидкость обычно имеет более низкую температуру кипения, чем вода. Хладагенты и углеводороды — два широко используемых компонента.
Оптимальные характеристики рабочей жидкости:
Поскольку целью ORC является рекуперация низкопотенциальной тепловой энергии, такой подход, как традиционный цикл Ренкина, не подходит. Поэтому всегда будет предпочтительным небольшой перегрев на выходе из испарителя, что ставит в невыгодное положение «влажные» жидкости (которые находятся в двухфазном состоянии в конце расширения). В случае сухих жидкостей следует использовать регенератор.
В отличие от воды, органические жидкости обычно подвергаются химическому разрушению и разложению при высоких температурах. Таким образом, максимальная температура горячего источника ограничена химической стабильностью рабочего тела. Точка замерзания должна быть ниже самой низкой температуры в цикле.
Жидкость с высокой скрытой теплотой и плотностью будет поглощать больше энергии от источника в испарителе и, таким образом, уменьшать требуемый расход, размер установки и потребление насоса.
Основными принимаемыми во внимание параметрами являются потенциал разрушения озона (ODP) и потенциал глобального потепления (GWP).
Жидкость должна быть неагрессивной, негорючей и нетоксичной. Классификация безопасности хладагентов ASHRAE может использоваться в качестве индикатора уровня опасности жидкости.
Для моделирования циклов ORC требуется численный решатель, в котором реализованы уравнения баланса массы и энергии, теплопередачи, перепадов давления, механических потерь, утечек и т. д. Модели ORC можно разделить на два основных типа: стационарные и динамические. Стационарные модели необходимы как для целей проектирования (или определения размеров), так и для моделирования частичной нагрузки. С другой стороны, динамические модели также учитывают накопление энергии и массы в различных компонентах. Они особенно полезны для реализации и моделирования стратегий управления, например, во время переходных процессов или во время запуска. Другим ключевым аспектом моделирования ORC является расчет термодинамических свойств органической жидкости . Следует избегать простых уравнений состояний (EOS), таких как Пенг – Робинсон, поскольку их точность низкая. Предпочтение следует отдавать многопараметрическому EOS, используя, например, современные базы данных теплофизических и транспортных свойств.
Для вышеуказанных целей доступны различные инструменты, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Ниже представлены наиболее распространенные из них.
{{cite web}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)