Szerves Rankine-ciklus

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

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 | forrásszöveg szerkesztése]

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 | forrásszöveg szerkesztése]

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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]