Organiczny cykl Rankine’a

Organiczny cykl Rankine'a (ORC z ang. Organic rankine cycle) – obieg termodynamiczny, w którym zachodzi, tak jak w obiegu Rankine’a, parowanie i skraplanie czynnika roboczego, ale nie jest nim woda, a związek organiczny o niskiej temperaturze wrzenia. Czynnik taki pozwala na konstrukcję silnika cieplnego pozyskującego ciepło ze źródeł o niższej temperaturze, takich jak: spalanie biomasy o niskiej kaloryczności, ciepła odpadowego procesów przemysłowych, energii geotermalnej, kolektorów słonecznych i innych. Niskotemperaturowe ciepło może być przekształcone w pracę użyteczną, a ta z kolei w energię elektryczną. Pierwszy prototyp został zaprojektowany i opublikowany w 1961 roku przez Harry Zvi Tabor i Lucien Bronicki.

Układ ORC

Zasada działania ORC

Zasada działania obiegu ORC jest taka sama jak dla tradycyjnego obiegu Rankine'a. Czynnik roboczy jest pompowany do wytwornicy pary, gdzie zostaje podgrzany i odparowuje, następnie zachodzi jego ekspansja w turbinie. Para z turbiny, zostaje przekierowana do skraplacza, gdzie zostaje skondensowana do fazy ciekłej.

Obieg ORC w układzie Temperatura-Entropia

W idealnym cyklu Rankine'a proces ekspansji pary na turbinie jest izentropowy, natomiast procesy kondensacji i odparowywania czynnika są izobaryczne.

Niestety cykl rzeczywisty jest cyklem nieodwracalnym (występują straty energii), a więc sprawność całego obiegu ulega zmniejszeniu. Głównymi źródłami tych strat są:^[1]

• podczas ekspansji pary na turbinie – tylko część energii zużywana jest na pracę użyteczną, a reszta w postaci ciepła jest tracona. Sprawność turbiny określa się porównując przemianę rzeczywistą, z przemianą izentropową.
• w skraplaczu – jest to źródło największych strat energii w całym obiegu, ponieważ ciepło jest odbierane od czynnika, by ten mógł powrócić do fazy ciekłej.

Zwiększenie sprawności obiegu ORC

Podobnie jak dla tradycyjnego obiegu Rankine'a, stosuje się:

• regenerację ciepła – część pary zostaje upuszczona z turbiny i jej zadaniem jest wstępne podgrzanie wody skondensowanej ze skraplacza.
• międzystopniowy przegrzew pary – para opuszczająca turbinę numer 1 zostaje zawrócona do komory spalania (wymiennika ciepła), a następnie zostaje skierowana do turbiny nr 2. Dalsza część obiegu nie ulega zmianie.

Niekonwencjonalne źródła ciepła dla technologii ORC

W obiegu ORC można wykorzystać wiele źródeł ciepła, a najważniejsze z nich przedstawiono poniżej^[2].

Odzysk ciepła odpadowego

Odzysk ciepła odpadowego jest jednym z najważniejszych obszarów rozwoju dla technologii ORC. Może być ona wykorzystywana w kogeneracji np. w elektrociepłowniach/elektrowniach (rola skraplacza), w procesach rolniczych, przemysłowych (gorące spaliny z pieców, odzysk ciepła spalin w pojazdach spalinowych).

Wykorzystanie biomasy do spalania

Biomasa jest surowcem dostępnym na całym świecie i może być stosowana do wytwarzania elektryczności w małych elektrowniach. Wysokie koszty inwestycyjne, związane z uruchomieniem bloku (tradycyjny obieg CR) na biomasę, dla ORC zostały zmniejszone ze względu na niższe ciśnienie czynnika w tym obiegu. Oprócz tego w przeciwieństwie do tradycyjnego czynnika (wody), nie powoduje korozji maszyn, dzięki czemu elementy turbiny i zaworów rurowych nie ulegają rdzewieniu.

Źródła geotermalne

Temperatura źródeł geotermalnych waha się w granicach od 50 °C do 400 °C. Technologia ORC jest więc idealnie przystosowana do tego typu rozwiązań. Jednakże dla temperatury mniejszej niż 100 °C sprawność obiegu jest bardzo mała, a co za tym idzie nieopłacalne jest wykorzystywanie takich źródeł. W 2019 roku zastosowanie tej technologii rozważała Geotermia Podhalańska^[3].

Elektrownie słoneczne

Kolejnym źródłem ciepła, jakie można wykorzystać są kolektory słoneczne koncentryczne. Obecnie elektrownie te oparte są na tradycyjnym obiegu parowym. W przypadku zastosowania ORC, można zastosować mniejsze pojemności układu, jak również potrzeba niższej temperatury z kolektora. Dzięki temu koszty budowy takiej elektrowni stają się niższe, a długość pracy w ciągu roku się wydłuża^[4].

Ciecz robocza

Wybór odpowiedniej cieczy roboczej jest niezwykle ważny dla pracy w niskotemperaturowym cyklu Rankine'a. Ze względu na niską temperaturę, brak skuteczności wymiany ciepła jest bardzo szkodliwy dla całego procesu. Ten negatywny wpływ silnie zależy od charakterystyki danej cieczy oraz od warunków w jakich pracuje.

W celu odzyskania ciepła, ciecz robocza ma niższą temperaturę wrzenia niż w przypadku powszechnie używanej wody. Najczęściej używane są substancje chłodzące stosowane np. w pompach ciepła lub węglowodory.

Optymalne właściwości płynu roboczego:

• Izentropowa krzywa nasycenia pary. Zastosowanie cyklu ORC skupia się na odzyskiwaniu niskotemperaturowego ciepła, dlatego podejście identyczne jak dla tradycyjnego układu Rankine'a jest nieefektywne. Korzystne są małe przegrzewy na wyjściu z parownika.
• Niska temperatura zamarzania, wysoka stabilność temperaturowa. W przeciwieństwie do wody, ciecze organiczne w wysokich temperaturach ulegają rozkładowi lub zmieniają właściwości fizyczne. Wynika z tego, że maksymalna temperatura źródła ciepła jest ograniczona stabilnością chemiczną zastosowanej cieczy roboczej. Natomiast temperatura krzepnięcia powinna niższa od najniższej temperatury w cyklu.
• Wysokie ciepło parowania i gęstość. Płyn o wysokim cieple parowania i gęstości jest w stanie zaabsorbować więcej energii ze źródła. Dzięki temu zmniejsza się prędkość przepływu, wielkość całego układu oraz zapotrzebowanie pomp na energię elektryczną.
• Niewielki wpływ na środowisko. Ciecz robocza powinna się charakteryzować małą zdolnością do niszczenia warstwy ozonowej oraz małym wpływem na globalne ocieplenie.
• Bezpieczeństwo. Powinien nie powodować korozji, być niepalny oraz nietoksyczny. Klasyfikacja bezpieczeństwa ASHRAE czynników chłodniczych może być stosowana jako wskaźnik poziomu niebezpieczeństwa dla danej cieczy roboczej.
• Dobra dostępność, niski koszt.

Przykłady cieczy roboczych

Medium	Masa molowa	Punkt krytyczny		Temperatura wrzenia(1atm)	Ciepło parowania (1atm)	Entalpia na krzywej nasycenia	Wpływ na środowisko i inne
Amoniak (NH3)	17	405,3 K	11,33 MPa	239,7 K	1347 kJ/kg	ujemny	750 K
Etanol (C2H5OH)	46,07	516,25 K	6,38 MPa	351,15 K	845 kJ/kg	ujemny
Woda	18	647,0 K	22,06 MPa	373,0 K	2256 kJ/kg	ujemny	.
n-Butan C4H10	58,1	425,2 K	3,80 MPa	272,6 K	383,8 kJ/kg	.	.
n-Pentan C5H12	72,2	469,8 K	3,37 MPa	309,2 K	357,2 kJ/kg	.	.
C6H6 (Benzol)	78,14	562,2 K	4,90 MPa	353,0 K	438,7 kJ/kg	dodatni	600 K
C7H8 (Toluol)	92,1	591,8 K	4,10 MPa	383,6 K	362,5 kJ/kg	dodatni	.
R134a (HFC-134a)	102	374,2 K	4,06 MPa	248,0 K	215,5 kJ/kg	izentropa	450 K
C8H10	106,1	616,2 K	3,50 MPa	411,0 K	339,9 kJ/kg	dodatni	.
R12	121	385,0 K	4,13 MPa	243,2 K	166,1 kJ/kg	izentropa	450 K
HFC-245fa	134,1	430,7 K	3,64 MPa	288,4 K	208,5 kJ/kg	.	520 K
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	izentropa	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	dodatni	.
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	dodatni	450 K
n-Perfluorpentan C5F12	288	420,6 K	2,05 MPa	302,4 K	87,8 kJ/kg	.	.