Szerves Rankine-ciklus
| Termodinamikai körfolyamatok |
|---|
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
[szerkesztés]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
[szerkesztés]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).
 |
 |
 |
| 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 | . | . |