Органический цикл Ренкина - Organic Rankine cycle

ORC с Регенератор

Термодинамика
Классический Тепловой двигатель Карно
ветви Классический Статистический Химическая Квантовая термодинамика Равновесие  / Неравновесный
Законы Zeroth Первый Второй В третьих
Системы государство Уравнение состояния Идеальный газ Настоящий газ Состояние вопроса Равновесие Контрольный объем Инструменты Процессы Изобарический Изохорический Изотермический Адиабатический Изэнтропический Изентальпический Квазистатический Политропный Бесплатное расширение Обратимость Необратимость Необратимость Циклы Тепловые двигатели Тепловые насосы Тепловая эффективность
Свойства системы Заметка: Сопряженные переменные в курсив Диаграммы свойств Интенсивные и обширные свойства Функции процесса Работа Высокая температура Функции государства Температура  / Энтропия  (введение ) Давление  / Объем Химический потенциал  / Номер частицы Качество пара Сниженные свойства
Свойства материала Базы данных недвижимости Удельная теплоемкость   ${displaystyle c =}$ ${displaystyle T}$ ${displaystyle partial S}$ ${displaystyle N}$ ${displaystyle partial T}$ Сжимаемость   ${displaystyle eta = -}$ ${displaystyle 1}$ ${displaystyle partial V}$ ${displaystyle V}$ ${displaystyle partial p}$ Тепловое расширение   ${displaystyle alpha =}$ ${displaystyle 1}$ ${displaystyle partial V}$ ${displaystyle V}$ ${displaystyle partial T}$
Уравнения Теорема Карно Теорема Клаузиуса Фундаментальное отношение Закон идеального газа Максвелл отношения Взаимные отношения Онзагера Уравнения Бриджмена Таблица термодинамических уравнений
Потенциал Свободная энергия Свободная энтропия Внутренняя энергия ${displaystyle U (S, V)}$ Энтальпия ${displaystyle H (S, p) = U + pV}$ Свободная энергия Гельмгольца ${displaystyle A (T, V) = U-TS}$ Свободная энергия Гиббса ${displaystyle G (T, p) = H-TS}$
История Культура История Общее Энтропия Газовые законы Машины "вечный двигатель" Философия Энтропия и время Энтропия и жизнь Броуновская трещотка Демон Максвелла Парадокс тепловой смерти Парадокс лошмидта Синергетика Теории Теория калорийности Теория тепла Vis viva («живая сила») Механический эквивалент тепла Сила мотивации Ключевые публикации "Экспериментальное расследование Относительно ... тепла " "О равновесии Гетерогенные вещества " "Размышления о Движущая сила огня " Сроки Термодинамика Тепловые двигатели Изобразительное искусство Образование Термодинамическая поверхность Максвелла Энтропия как рассеивание энергии
Ученые Бернулли Больцман Карно Клапейрон Клаузиус Каратеодори Duhem Гиббс фон Гельмгольц Джоуль Максвелл фон Майер Онсагер Ренкин Смитон Шталь Томпсон Томсон ван дер Ваальс Waterston
Книга Категория

В Органический цикл Ренкина (ORC) назван в честь использования органическая высокомолекулярная жидкость с жидко-паровой изменение фазы, или точка кипения, происходящий при более низкой температуре, чем фазовый переход вода-пар. Жидкость позволяет Цикл Ренкина рекуперация тепла из источников с более низкой температурой, таких как сжигание биомассы, промышленные отходящее тепло, 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 гг. Люсьен Броницки и Гарри Цви Табор.^[1][2]

Двигатели нафта, в принципе похожие на ORC, но разработанные для других приложений, использовались еще в 1890-х годах.

Принцип работы ORC

Диаграмма T-s для идеального / реального ORC

Принцип работы органического цикла Ренкина такой же, как и у Цикл Ренкина: the рабочая жидкость перекачивается в котел где он испаряется, пропускается через расширительное устройство (турбина,^[3] винт,^[4] прокрутка^[5] или другой детандер), а затем через конденсаторный теплообменник, где он, наконец, повторно конденсируется.

В идеальном цикле, описываемом теоретической моделью двигателя, расширение составляет изэнтропический а процессы испарения и конденсации изобарический.

В любом реальном цикле наличие необратимость снижает цикл эффективность. Эти необратимости в основном возникают:^[6]

• Во время расширения: только часть энергии, извлекаемой из перепада давления, преобразуется в полезную работу. Другая часть превращается в тепло и теряется. Эффективность расширителя определяется путем сравнения с изоэнтропическим расширением.
• В теплообменниках: рабочая жидкость проходит длинный и извилистый путь, что обеспечивает хороший теплообмен, но вызывает падение давления которые уменьшают количество энергии, извлекаемой из цикла. Аналогичным образом, разница температур между источником / поглотителем тепла и рабочей жидкостью создает эксергия разрушение и снижает производительность цикла.

Улучшение органического цикла Ренкина

В случае «сухой жидкости» цикл можно улучшить с помощью регенератора: поскольку жидкость не достигла двухфазного состояния в конце расширения, ее температура в этот момент выше, чем температура конденсации. температура. Эту жидкость с более высокой температурой можно использовать для предварительного нагрева жидкости перед тем, как она попадет в испаритель.

Противоток теплообменник Таким образом, преобразователь (газ в жидкость) устанавливается между выходом расширителя и входом конденсатора. Таким образом, мощность, требуемая от источника тепла, уменьшается, а эффективность повышается.

Заявки на ORC

75 кВт ORC турбогенератор используется на экспериментальной электростанции в г. Лаппеенранта, Финляндия

Часть серии о
Устойчивая энергия
Обзор
Устойчивая энергия Углеродно-нейтральное топливо Поэтапный отказ от ископаемого топлива
Энергосбережение
Когенерация Эффективное использование энергии Хранилище энергии Зеленое здание Тепловой насос Низкоуглеродистая энергия Микрогенерация Пассивная солнечная конструкция здания
Возобновляемая энергия
Биотопливо Геотермальный Гидроэлектричество Солнечная Приливный Волна ветер
Экологичный транспорт
Электромобиль Зеленый автомобиль Подключаемый гибрид
Портал возобновляемой энергии  Портал окружающей среды

Часть серии по
Возобновляемая энергия
Биотопливо Биомасса Биогаз Геотермальный Гидроэнергетика Солнечная энергия Приливная сила Мощность волны Сила ветра
Темы по странам Маркетинговые и политические тенденции

Технология органического цикла Ренкина имеет множество возможных применений и насчитывает более 2,7 ГВт установленной мощности и 698 идентифицированных электростанций по всему миру.^[7] Среди них наиболее распространенными и перспективными направлениями являются:^[8]

Рекуперация отходящего тепла

Рекуперация отходящего тепла является одним из наиболее важных направлений развития органического цикла Ренкина (ORC). Его можно применять для нагрева и электростанции (например небольшой когенерация установка на бытовом водонагревателе), или к промышленным и сельскохозяйственным процессам, таким 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.

Электростанция на биомассе

Биомасса доступна во всем мире и может использоваться для производства электроэнергии на малых и средних предприятиях. электростанции. 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 службы машины из-за характеристик рабочей жидкости, которая, в отличие от пара, не вызывает эрозии и коррозии трубок седел клапанов и лопаток турбины. Процесс ORC также помогает преодолеть относительно небольшое количество входящего топлива, доступного во многих регионах, поскольку эффективная электростанция ORC возможна для станций меньшего размера.

Геотермальные растения

Геотермические источники тепла различаются по температуре от 50 до 350 ° C. Таким образом, ORC идеально подходит для такого рода приложений. Однако важно иметь в виду, что для низкотемпературных геотермальных источников (обычно менее 100 ° C) эффективность очень низка и сильно зависит от температуры радиатора (определяемой температурой окружающей среды).

Солнечная тепловая энергия

Органический цикл Ренкина можно использовать в солнечный параболический желоб технология вместо обычного парового цикла Ренкина. ORC позволяет производить электроэнергию с меньшей мощностью и с более низкой температурой коллектора, и, следовательно, возможность недорогой децентрализованной CSP единицы.^[9][10]

Выбор рабочего тела

Выбор рабочая жидкость имеет ключевое значение в низкотемпературных циклах Ренкина. Из-за низкой температуры неэффективность теплопередачи очень опасна. 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 обычно используемых компонента.

Оптимальные характеристики рабочего тела:

• Изэнтропический кривая насыщенного пара  :

Поскольку цель ORC сосредоточена на рекуперации низкопотенциальной тепловой энергии, подход с использованием перегрева, такой как традиционный цикл Ренкина, не подходит. Следовательно, 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.

• Низкая температура замерзания, высокая стабильность температуры:

В отличие от воды, органические жидкости обычно подвергаются химическому разложению и разложению при высоких температурах. Таким образом, максимальная температура горячего источника ограничена химической стабильностью рабочей жидкости. Точка замерзания должна быть ниже самой низкой температуры цикла.

• Высокая теплота испарения и плотность:

Жидкость с высокой скрытой теплотой и плотностью будет поглощать больше энергии из источника в испарителе и, таким образом, уменьшать требуемый расход, размер установки и потребление насоса.

• Низкое воздействие на окружающую среду

Основными учитываемыми параметрами являются: Озоноразрушающая способность (ODP) и потенциал глобального потепления (GWP).

• Безопасность

Жидкость должна быть некоррозионной, негорючей и нетоксичной. Классификация хладагентов по безопасности ASHRAE может использоваться как индикатор уровня опасности жидкости.

• Хорошая доступность и невысокая стоимость
• Допустимое давление

Примеры рабочих жидкостей

• ХФУ: Забанен Монреальский протокол из-за разрушения озона (например, R-11, R-12 )
• ГХФУ: Поэтапный отказ в связи с Копенгагенской поправкой к Монреальскому протоколу (например, R-22, R-123 )
• ГФУ (например. R134a, R245fa )
• HCs: Легковоспламеняющийся, общие побочные продукты газоперерабатывающих предприятий (например, изобутан, пентан, пропан )
• ПФУ^[11]

Моделирование систем ORC

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 требуются как для 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 органической жидкости термодинамические свойства. Простой уравнение состояний (EOS), таких как Peng – Robinson, следует избегать, поскольку их точность невысока. Предпочтительнее использовать многопараметрический EOS, например, современные базы данных теплофизических и транспортных свойств.

Для вышеуказанных целей доступны различные инструменты, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Наиболее распространенные из них представлены ниже.

Смотрите также

• Цикл Ренкина
• Термодинамический цикл
• Относительная стоимость электроэнергии, произведенной из разных источников
• Запуск нафты
• Рабочие жидкости

Рекомендации

внешняя ссылка

• Центр знаний об органическом цикле Ренкина