Szerves Rankine-ciklus

A szerves Rankine-ciklus (ORC = Organic Rankine Cycle) a hagyományos Rankine-ciklussal szemben, melynél a munkaközeg vízgőz, nagy moláris tömegű szerves folyadékot használ. Olyan tulajdonságokkal rendelkező közeget használ, mely lehetővé teszi a kishőmérsékletű hőforrások, mint a hulladékhő, geotermikus energia, napenergia hasznosítását.

A ciklus működési elve

A szerves Rankine-ciklus termodinamikai körfolyamat, melynek működése teljesen megegyezik a hagyományos Rankine-cikluséval. A folyékony halmazállapotú munkaközeget egy szivattyú az elpárologtatóba nyomja, ahol állandó nyomáson elgőzölög, a gőzt gőzturbinába vezetik, ami hőenergiáját mechanikai munkává alakítja, miközben a gőz nyomása és hőmérséklete, esetleg szárazgőz tartalma lecsökken. A turbina villamos generátort hajt, mely elektromos áramot termel. A turbinában expandált gőzt kondenzátorban lecsapatják, majd a kondenzátumot a szivattyú visszatáplálja az elpárologtatóba és a folyamat kezdődik elölről.

Munkaközegek

A munkaközeg jó megválasztása alapvető fontosságú a kishőmérsékletű Rankine-körfolyamatok esetén. Az alacsony hőmérséklet miatt a hőátadási veszteségek jelentősége megnő, lényeges ezek kis értéken tartása. A veszteségek erősen függnek a közeg termodinamikai tulajdonságaitól és a működési körülményektől.

A kishőmérsékletű hőforrás hasznosítása céljából olyan közeget kell alkalmazni, melynek forráspontja alacsonyabb a vízénél. Általában a hűtéstechnikában használatos hűtőközegeket és szénhidrogéneket használják.

A munkaközeg optimális jellemzői:

• Izentropikus telítettgőz görbe. A szerves Rankine-ciklusnál nem alkalmaznak erős gőztúlhevítést (mivel a hőforrás alacsony hőmérséklete ezt nem teszi lehetővé). Mindenesetre egy kismértékű túlhevítés mindenképpen kívánatos annak érdekében, hogy a folyadék kondenzálódását el lehessen kerülni az expanzió végén. A gőzturbinában erős eróziót okoz a kicsapódó folyadékcseppek ütközése a lapáttal.
• Alacsony fagyáspont, nagy hőfokstabilitás. A vízzel ellentétben a szerves munkaközegek magasabb hőmérsékleten általában bomlásra hajlamosak. A hőforrás maximális hőmérsékletét így a közeg kémiai stabilitása korlátozza. Másrészt a közeg fagyáspontjának természetesen a ciklus legalacsonyabb hőmérsékleténél kisebbnek kell lennie.
• Nagy párolgáshő és sűrűség. Az ilyen tulajdonságokkal rendelkező közeg több hőt tud felvenni az elgőzölögtetőben és így kisebb a keringetendő közeg mennyisége, az erőmű mérete és a szivattyú fogyasztása.
• Kis környezeti ártalom. A fő veszélyek az ózonréteg bomlására és a globális felmelegedésre gyakorolt hatás.
• Biztonságos üzem. A közeg nem lehet korrozív, gyúlékony és mérgező.
• Könnyű előállíthatóság és alacsony költség.
• Elfogadható nyomástartomány (nem túlságosan nagy nyomás).

Szerves Rankine-ciklus T-s diagramja különböző munkaközegekkel

R22 - negatív hajlás

R11 - izentropikus

Izopentán - pozitív hajlás

Szerves Rankine-ciklus lehetséges munkaközegei

Közeg	Relatív molekulatömeg	Kritikus pont		Forráspont 1 bar	Forráshő 1 bar	A szárazgőz görbe hajlása	Bomlási hőmérséklet kb.
NH3	17	405,3 K	11,33 MPa	239,7 K	1347 kJ/kg	negatív	750 K
Víz	18	647,0 K	22,06 MPa	373,0 K	2256 kJ/kg	negatív	.
n-bután C4H10	58,1	425,2 K	3,80 MPa	272,6 K	383,8 kJ/kg	.	.
n-pentán C5H12	72,2	469,8 K	3,37 MPa	309,2 K	357,2 kJ/kg	.	.
C6H6	78,14	562,2 K	4,90 MPa	353,0 K	438,7 kJ/kg	pozitív	600 K
C7H8	92,1	591,8 K	4,10 MPa	383,6 K	362,5 kJ/kg	pozitív	.
R134a (HFC-134a)	102	374,2 K	4,06 MPa	248,0 K	215,5 kJ/kg	izentropikus	450 K
C8H10	106,1	616,2 K	3,50 MPa	411,0 K	339,9 kJ/kg	pozitív	.
R12	121	385,0 K	4,13 MPa	243,2 K	166,1 kJ/kg	izentropikus	450 K
HFC-245fa	134,1	430,7 K	3,64 MPa	288,4 K	208,5 kJ/kg	.	.
HFC-245ca	134,1	451,6 K	3,86 MPa	298,2 K	217,8 kJ/kg	.	.
R11 (CFC-11)	137	471,0 K	4,41 MPa	296,2 K	178,8 kJ/kg	izentropikus	420 K
HFE-245fa	150	444,0 K	3,73 MPa	.	.	.	.
HFC-236fa	152	403,8 k	3,18 MPa	272,0 K	168,8 kJ/kg	.	.
R123	152,9	456,9 K	3,70 MPa	301,0 K	171,5 kJ/kg	pozitív	.
CFC-114	170,9	418,9 K	3,26 MPa	276,7 K	136,2 kJ/kg	.	.
R113	187	487,3 K	3,41 MPa	320,4 K	143,9 kJ/kg	pozitív	450 K
n-perfluoro-pentán C5F12	288	420,6 K	2,05 MPa	302,4 K	87,8 kJ/kg	.	.

Külső hivatkozások

• Kékenergia
• Szerves Rankine-ciklus animáció^{[halott link]}
• Experimental Study and Modeling of a Low Temperature Rankine Cycle for Small Scale Cogeneration. Archiválva 2012. február 8-i dátummal a Wayback Machine-ben