Органический цикл Ренкина

ORC с регенератором

Термодинамика
Классический тепловой двигатель Карно
ветви Классический Статистический Химическая Квантовая термодинамика Равновесие  / Неравновесие
Законы Zeroth Первый Второй В третьих
Системы Закрытая система Изолированная система Состояние 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 Примечание: Сопряженные переменные в курсивом Диаграммы свойств Интенсивные и обширные свойства Функции процесса Работа Высокая температура Функции государства Температура  / энтропия  ( введение ) Давление  / Объем Химический потенциал  / число частиц Качество пара Сниженные свойства
Свойства материала Базы данных недвижимости Удельная теплоемкость  ${\ displaystyle c =}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle \ partial S}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle \ partial T}$ Сжимаемость  ${\ displaystyle \ beta = -}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial p}$ Тепловое расширение  ${\ Displaystyle \ альфа =}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial T}$
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 ${\ Displaystyle А (Т, В) = U-TS}$ Свободная энергия Гиббса ${\ Displaystyle G (T, p) = H-TS}$
История Культура История Общий 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 исследование ... тепла " « О равновесии гетерогенных веществ » « Размышления о движущей силе 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
v т е

Органический цикл Ренкина ( ORC ) назван в честь его использования органической, высокой массовой жидкости молекулярной с парожидкостным изменением фазы , или точкой кипения , происходит при более низкой температуре , чем изменение фазы пароводяной. Жидкость обеспечивает рекуперацию тепла цикла Ренкина из источников с более низкой температурой, таких как сжигание биомассы, промышленные отходы тепла , 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 Люсьеном Броницки и Гарри Цви Табором . ^{[1] [2]}

Двигатели нафты , аналогичные в принципе ORC, но разработанные для других применений, использовались еще в 1890-х годах.

Принцип работы ORC [ править ]

Принцип работы органического цикла Ренкина такой же, как и у цикла Ренкина : рабочая жидкость перекачивается в котел, где она испаряется, проходит через расширительное устройство (турбина, ^[3] винт, ^[4] спираль, ^{[ 5]} или другой детандер), а затем через теплообменник конденсатора, где он, наконец, повторно конденсируется.

В идеальном цикле, описываемом теоретической моделью двигателя, расширение является изоэнтропическим, а процессы испарения и конденсации изобарическими .

В любом реальном цикле наличие необратимости снижает эффективность цикла . Эти необратимости в основном происходят: ^[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, который обеспечивает хороший теплообмен, но вызывает падение давления, которое снижает количество энергии, извлекаемой из цикла. Точно так же разница температур между источником / поглотителем тепла и рабочей жидкостью вызывает разрушение эксергии и снижает производительность цикла.

Улучшение органического цикла Ренкина [ править ]

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.

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

Заявки на ORC [ править ]

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 следующие: ^[8]

Рекуперация отработанного тепла [ править ]

Рекуперация отходящего тепла - одно из важнейших направлений развития органического цикла Ренкина (ORC). Он может быть применен к тепловым и электростанций (например, небольшой масштаб когенерации растений на внутреннем водонагреватель), или промышленных и посудомоечные процессов , таких как органические продукты брожения, горячие выхлопные трубы из печей или печей (например , известь и печей для обжига цемента), конденсация дымовых газов , выхлопные газы транспортных средств, промежуточное охлаждение компрессора, конденсатора энергетического цикла и т. д.

Электростанция на биомассе [ править ]

Биомасса доступна во всем мире и может использоваться для производства электроэнергии на малых и средних электростанциях . 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 [ править ]

Геотермические источники тепла имеют температуру от 50 до 350 ° C. Таким образом, ORC идеально подходит для такого рода приложений. Однако важно помнить, 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 [ править ]

Органический цикл Ренкина можно использовать в технологии солнечного параболического желоба вместо обычного парового цикла Ренкина. ORC позволяет производить электроэнергию при более низкой мощности и более низкой температуре коллектора, и, следовательно, возможность для недорогих, небольших децентрализованных блоков CSP . ^{[9] [10]} ORC также позволяет гибридным системам CSP-PV , оборудованным накопителями тепловой энергии, обеспечивать восстановление по требованию до 70% их мгновенного производства электроэнергии и может быть довольно эффективной альтернативой другим типам аккумуляторов электроэнергии. . ^{[11] [12]}

Выбор рабочего тела [ править ]

Выбор рабочего тела 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:

• Кривая изэнтропического насыщения 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 температура стабильности:

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 принимаемыми во внимание параметрами являются потенциал разрушения озонового слоя (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 [ править ]

• 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 , обычные побочные продукты газоперерабатывающих предприятий (например, изобутан , пентан , пропан )
• ПФУ ^[13]

Моделирование систем ORC [ править ]

Для моделирования циклов ORC требуется численный решатель, в котором реализованы уравнения баланса массы и энергии, теплопередачи, перепадов давления, механических потерь, утечек и т. Д. ORC-модели 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 вычисление термодинамических свойств органической жидкости . Простое уравнение состояний(EOS), таких как Peng – Robinson, следует избегать, поскольку их точность невысока. Следует отдавать предпочтение многопараметрическому EOS, используя, например, самые 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.

См. Также [ править ]

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

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Центр знаний об органическом цикле Ренкина