Органический цикл Ренкина
| Термодинамика |
|---|
 |
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 ОРЦ
[ редактировать ]
Принцип работы органического цикла Ренкина такой же, как и цикла Ренкина : рабочее тело перекачивается в котел , где испаряется, проходит через расширительное устройство (турбину, [3] винт, [4] прокрутка, [5] или другой детандер), а затем через конденсаторный теплообменник, где он 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 цикла снижает эффективность . Эти необратимые явления в основном возникают: [6]
- Во время расширения: Только часть энергии, извлекаемой из разницы давлений, преобразуется в полезную работу. Другая часть преобразуется в тепло и теряется. Эффективность детандера определяется сравнением с изоэнтропическим расширением.
- В теплообменниках: Рабочая жидкость проходит длинный и извилистый путь, что обеспечивает хороший теплообмен, но вызывает перепады давления , которые снижают количество энергии, извлекаемой из цикла. Аналогично, разница температур между источником/поглотителем тепла и рабочей жидкостью вызывает эксергетическое разрушение и снижает производительность цикла.
Заявки на ОРЦ
[ редактировать ]
| Часть серии о |
| Устойчивая энергетика |
|---|
 |
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 направления: [8]
Рекуперация отходящего тепла
[ редактировать ]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.
Электростанция на биомассе
[ редактировать ]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.
Геотермальные установки
[ редактировать ]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).
Солнечная тепловая энергия
[ редактировать ]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]
Ветротепловая энергетика
[ редактировать ]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 накопителем тепла и, соответственно, использовать с ORC для выработки электроэнергии.
Однако из-за эффективности турбины Карно может быть более эффективно использовать тепловую энергию в виде тепла, а не для выработки электричества.
Выбор рабочей жидкости
[ редактировать ]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:
- Изэнтропическая кривая насыщения пара :
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.
- Низкая точка замерзания, высокая температура стабильности:
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.
- Высокая теплота парообразования и плотность:
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.
- Низкое воздействие на окружающую среду
Основными принимаемыми во внимание параметрами являются потенциал разрушения озона (ODP) и потенциал глобального потепления (GWP).
- Безопасность
Жидкость должна быть неагрессивной, негорючей и нетоксичной. Классификация безопасности хладагентов ASHRAE может использоваться в качестве индикатора уровня опасности жидкости.
- Хорошая доступность и низкая стоимость
- Допустимое давление
Примеры рабочих жидкостей
[ редактировать ]- ХФУ : Запрещены Монреальским протоколом из-за разрушения озонового слоя (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 )
- УВ : Легковоспламеняющиеся , распространенные побочные продукты газоперерабатывающих предприятий (например, изобутан , пентан , пропан ).
- ПФУ [14]
Моделирование систем ORC
[ редактировать ]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 иДругим ключевым аспектом моделирования ORC является расчет термодинамических свойств органических жидкостей . 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.
| Инструмент | Причинность | Тип моделирования | Распределение | Примеры | Описание |
|---|---|---|---|---|---|
| Общие инструменты термодинамического моделирования | |||||
| AxCYCLE | Акаузальный | устойчивое состояние | Несвободный | ||
| Цикл-Темп | Причинно-следственный | устойчивое состояние | Несвободный | ||
| Решатель инженерных уравнений | Акаузальный | устойчивое состояние | Несвободный | Простая модель ORC в EES. Архивировано 4 марта 2016 г. на Wayback Machine. | |
| GT-ЛЮКС | Акаузальный | устойчивый и динамический | Несвободный | Cummins Super Truck WHR | |
| LMS Imagine.Lab Amesim | Причинно-следственный и акаузальный | устойчивый и динамический | Несвободный | Малый завод ORC | |
| ПроСимПлюс | / | устойчивое состояние | Несвободный | ||
| Общие инструменты моделирования | |||||
| МАТЛАБ / Симулинк | Причинно-следственный | устойчивый / динамический | Несвободный | ||
| Сцилаб / Xcos | Акаузальный | устойчивый / динамический | с открытым исходным кодом | Простая модель ORC | Альтернатива Matlab с открытым исходным кодом. |
| Общие инструменты исследования теплофизических и транспортных свойств органических жидкостей. | |||||
| АспенПроп | / | Несвободный | |||
| CoolProp | / | с открытым исходным кодом | |||
| ФлюидПроп | / | Бесплатно | |||
| Рефпроп | / | Несвободный | |||
| Симулис Термодинамика | / | Несвободный | |||
См. также
[ редактировать ]
- Цикл Ренкина
- Термодинамический цикл
- Относительная стоимость электроэнергии, произведенной из разных источников
- Запуск нафты
- Рабочие жидкости
- Динамика неидеальной сжимаемой жидкости
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Гарри Цви Табор , Кливленд Катлер, Энциклопедия Земли , 2007.
- ^ Израильская секция Международного общества солнечной энергии. Архивировано 11 января 2009 г. в Wayback Machine , под редакцией Гершона Гроссмана, факультет механической энергии, Технион , Хайфа ; Окончательный проект.
- ^ Арифин, М.; Пасек, А.Д. (2015). Проектирование радиальных турбодетандеров для малой системы органического цикла Ренкина . 7-я Международная конференция по технологиям охлаждения и отопления. Том. 88. с. 012037. Бибкод : 2015MS&E...88a2037A . дои : 10.1088/1757-899X/88/1/012037 .
- ^ Живиани, Давиде; Гусев Сергей; Шюсслер, Стефан; Ахайихия, Абденнацер; Браун, Джеймс Э.; Гролл, Экхард А.; Паепе, Мишель Де; ван ден Брук, Мартейн (13 сентября 2017 г.). «Использование одновинтового расширителя в органическом цикле Ренкина с расширением с затоплением жидкостью и внутренней регенерацией» . Энергетические труды . 129 : 379. дои : 10.1016/j.egypro.2017.09.239 .
- ^ Галлони, Э.; Фонтана, Г.; Стакконе, С. (25 июля 2015 г.). «Проектирование и экспериментальный анализ мини-энергетической установки ORC (органического цикла Ренкина) на основе рабочего тела R245fa». Энергия . 90 : 768–775. дои : 10.1016/j.energy.2015.07.104 .
- ^ Устойчивое преобразование энергии посредством использования органических циклов Ренкина для рекуперации отходящего тепла и использования солнечной энергии (PDF) (Диссертация). Льежский университет, Льеж, Бельгия. 04.10.2011 . Проверено 31 октября 2011 г.
- ^ Т. Тартьер. «Карта мира ОРК» . Проверено 16 августа 2016 г.
- ^ Куойлин, Сильвен; Брук, Мартин Ван Ден; Деклей, Себастьен; Деваллеф, Пьер; Леморт, Винсент (2013). «Технико-экономическое исследование систем органического цикла Ренкина (ORC)» (PDF) . Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 22 : 168–186. дои : 10.1016/j.rser.2013.01.028 . Проверено 2 марта 2013 г.
- ^ «Солнечный микрогенератор» . Stginternational.org. Архивировано из оригинала 3 марта 2013 г. Проверено 29 апреля 2017 г.
{{cite web}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка ) - ^ «Энергия Солнца :: Глава 12.2 Энергетические циклы Ренкина» . Энергия Солнца . Проверено 29 апреля 2017 г.
- ^ «RayGen концентрирует свою энергию на огромном потенциале хранения данных» . www.ecogeneration.com.au . 23 апреля 2020 г. Проверено 28 января 2021 г.
- ^ Блейк Матич (20 марта 2020 г.). «ARENA увеличивает финансирование «солнечной гидроэлектростанции» RayGen» . Журнал «ПВ» . Проверено 28 января 2021 г.
- ^ Окадзаки, Тори; Шираи, Ясуюки; Накамура, Такецунэ (2015). «Концептуальное исследование ветроэнергетики с использованием прямого преобразования тепловой энергии и хранения тепловой энергии» . Возобновляемая энергия . 83 : 332–338. doi : 10.1016/j.renene.2015.04.027 . hdl : 2433/235628 .
- ^ «ТУРБОДЕН - Органические системы цикла Ренкина» (PDF) .