Ciclul Rankine Organic Ionel Ivancu Universitatea Tehnica “Gheorghe Asachi” din Iasi, Facultatea de Mecanica, Catedra Termotehnica, B-dul Dimitrie Mangeron nr.61-63, Cod 700050, Iasi Romania
Rezumat Ciclul Rankine Organic este o forma bine cunoscută şi larg răspândită de producere a energiei, mai ales în biomasă şi aplicaţii geotermale, dar creşte succesiv în aplicaţii de recuperare a căldurii solare. Preocuparea de mediu peste schimbările climatice şi creşterea preţului petrolului sunt motive puternice care susţin creşterea explozivă a acestui mod eficient, curat şi de încredere a producerii de energie electrică. Primul capitol al lucrării face o introducere în care este prezentat inventatorul ciclului care îi poartă şi numele, fiind un pion principal în dezvoltarea ştiinţei termodinamice. A redactat manuale de inginerie si practica, sute de lucrări şi note pe teme de ştiinţă şi inginerie a publicat. În continuare este descris Cicul Rankine,beneficiile datorită utilizării apei,modificările succesive ale substanţei de lucru, încheind capitolul cu cele patru procese ale ciclului. Capitolul doi incepe cu descrierea ciclului al cărui nume este si tema acestei sinteze de literatura, Ciclul Rankine Organic. Acest ciclu foloseste acelaşi principiu cu cel prezentat în primul capitol, diferenţă dintre cele două sisteme fiid fluidul de lucru,folosind fluide organice. Datorită numeroaselor modificări suportate ale ciclului de bază folosite în aplicaţii pentru îmbunătăţirea sistemului, Ciclul Rankine Organic este considerat o tehnologie avansată. Domeniile de utilizare fiind promoţătoare: deşeuri de căldură de recuperare, biomasă centrală electrică, instalaţii
geotermale şi solare termice. Este descris principiul de funcţionare al sistemului, selecţia fluidului de lucru, fluidele utilizate mai frecvent, avantajele şi dezavantajele ciclului. Cuvinte cheie: biomasă, Ciclul Rankine Organic, fluide organice, geotermale, termodinamică.
1
1. Introducere Ciclul Rankine este numit după William John Macquorn Rankine (5 iulie 1820 - 24 decembrie 1872), un inginer şi fizician scoţian. El a fost un factor care contribuie la fondatorii ştiinţei termodinamicii. Rankine, care a dezvoltat o teorie completă a motorului cu abur şi într-adevăr, de toate motoarele termice. Manualele lui de inginerie şi practică au fost folosite pentru multe decenii de la publicarea lor în anii 1850 şi 1860. A publicat mai multe sute de lucrări şi note pe teme din ştiinţă şi inginerie, începând din 1840, şi a intereselor sale care au fost extrem de variate, inclusiv, în tinereţea sa, botanica, teoria muzicii şi teoria numerelor, şi cele mai multe ramuri majore ale ştiinţei, matematică şi inginerie. A fost un cântăreţ amator entuziast, pianist şi violoncelist. 1.1 Ciclul Rankine Ciclul Rankine, este un ciclu termodinamic care transformă căldura în lucru. Căldură este furnizată extern la o buclă închisă, care foloseşte, de obicei, ca fluid de lucru apă. Principalele beneficii la utilizarea de apă sunt, că apa este foarte stabiă din punct de vedere chimic şi, prin urmare, nu există aproape nici cerinţe speciale pentru materiale de construcţii care pot fi folosite. În plus, apa are o vîscozitate foarte scăzută, astfel încât energia necesară pentru transportarea prin diferitele componente, cum ar fi schimbatoare de caldură si ţevi, este limitată. Căldura specifică a apei este relativ ridicată, acest lucru îl face un mediu bun pentru transportul energiei. Apa este, de asemenea, non-toxic si este disponibilă la nivel mondial în cantităţi mari. (Whalley P, 1992) Este mai puţin costisitoare decat orice alte lichide. Ciclul Rankine pe bază de apă furnizează aproximativ 85% din producţia de energie electrică la nivel mondial. Apa are, de asemenea, mai multe dezavantaje. Pentru a realiza ciclul de cea mai mare eficienţă şi de a creşte producţia de energie electrică, aburul este extins la o temperatură apropiată de temperatura ambiantă. (Haywood R, 1980) La această temperatură scăzută presiunea vaporilor, şi, prin urmare, de asemenea, densitatea, este foarte scăzută. Acest lucru duce la volume mari de abur la ieşirea din turbină. În consecinţă, turbinele mari şi condensatoarele sunt necesare. Mai mult, căderea de presiune in turbina cu abur este foarte mare. Pentru a extinde abur de la 30 la
2
0,1 bari o turbină multistadial este necesară din cauza raportului de presiune limitată de o singură etapă. Acest lucru face turbina cu abur relativ complexă şi costisitoare. În ciclul Rankine, substanţa de lucru a motorului suferă patru modificări succesive: (1) încălzire la volum constant (ca într-un cazan), (2) evaporare şi supraîncălzirea (dacă există) la presiune constantă, (3) extindere isentropic în motor, (4) condensare la presiune constantă, cu întoarcere de lichid la cazan.
Fig.1 Aspectul fizic de patru dispozitive principale utilizate în ciclu Rankine
1.2 Procesele Ciclului Rankine Există patru procese în ciclul Rankine:
Procesul de 1-2: Lichidul de lucru este pompat de la mic la mare presiune, ca fluid este un lichid, în acest stadiu pompa de energie necesită o contribuţie mică.
Procesul de 2-3: lichid de înaltă presiune intră într-un cazan unde este încălzit la presiune constantă de la o sursă de căldură externă pentru a deveni saturat de vapori uscaţi.
3
Procesul de 3-4: saturată de vapori uscaţi, se extinde printr-o turbină, generatoare de putere. Aceasta scade temperatura şi presiunea de vapori, pot apărea condensări.
Procesul de 4-1: vaporii umezi intră apoi în condensator, în cazul în care este condensaţi la o presiune constanta pentru a deveni un lichid saturat.
Ecuaţii
Qin
1
h3 h2
m W pump
h2 h1
m
v1 p
pump
v1 p2 p1
pump
2
Qout
h4 h1
3
m Wturbine
h3 h4
m
therm
v1 p
pump
h3 h4 s turb
Wturbine W pump
Qin
Wtu Q
5
Q debitul de căldură de la sistem (de energie pe unitatea de timp)
m masa debitului (masa pe unitatea de timp)
W puterea mecancă consumată 4
4
therm eficienta termodinamica a procesului h1 , h2 ,h 3 entalpiile specifice - punctele indicate pe diagrama Ts
p1 , p2
Presiuni înainte şi după procesul de comprimare
Fiecare din primele patru ecuaţii sunt uşor derivate din energie şi echilibrare a masei pentru un volum de control. Ecuaţia a cincea defineşte eficienta termodinamica a ciclului, ca raportul de putere netă de căldură de intrare. Există, de asemenea, variaţii ale ciclului de bază Rankine, care sunt concepute pentru a ridica eficienţa termică a ciclului, în acest mod, două dintre acestea sunt descrise mai jos: -
ciclu Rankine cu reîncălzire;
-
ciclu Rankine cu regenerare.
Ciclu Rankine cu reîncălzire Într-un ciclu Rankine real, pompa de compresie şi de expansiune în turbina nu este isentropică. Cu alte cuvinte, aceste procese sunt non-reversibile şi entropia este crescută în cele două procese. Acest lucru creşte oarecum puterii cerute de pompă şi scade puterea generata de turbină. Eficienţa turbinei cu abur va fi limitată prin formarea picăturilor de apă. Aşa cum se condensează apa, picaturile de apă lovesc lamelele turbinei, la viteză mare cauzând pitting şi eroziune, reducând treptat durata de viaţă a paletelor turbinei şi eficienţa turbinei. Cel mai simplu mod de a depăşi această problemă este supraîncălzirea aburilor. Pe diagrama Ts din Fig.2, 3 este regiunea din faza a doua de abur şi apă, astfel încât după extindere aburul va fi foarte umed. Supraincalzirea, 3, se va muta la dreapta de diagramă şi produce, prin urmare, o baie de aburi uscaţi de după extindere.
5
Fig.2 Ciclu Rankine cu reîncălzire - diagrama Ts Ciclu Rankine cu regenerare Ciclu Rankine cu regenerare este numit astfel pentru că, după generarea din condensator fluidul de lucru este încălzit cu abur exploatat din partea fierbinte a ciclului. Pe diagrama reprezentată în Fig.3, lichidul de la 2 este amestecat cu lichid la 4 (ambele la aceeaşi presiune), pentru a termina cu lichid saturat la 7. Ciclu Rankine cu regenerare este frecvent utilizat în centralele electrice reale.
Fig.3 Ciclu Rankine cu regenerare - diagrama Ts 6
Când apa este înlocuită cu un lichid organic, atunci ciclul se numeste Ciclul Rankine Organic. 2. Ciclul Rankine Organic Ciclul Organic Rankine este un proces termodinamic în care căldura este transferată la un lichid la o presiune constantă. Fluidul este vaporizat şi apoi extins intr-o turbina de vapori, care conduce un generator, producund asfel energie electrică. Vaporii consumaţi sunt condensaţi şi reciclaţi înapoi în lichid. Acest process utilizează un fluid organic cu un punct de fierbere mai mic decât apa. (Fankam B, 2009) Fluidul permite recuperarea căldurii din surse de temperatură mai scăzută, cum ar fi deşeurile industriale şi de căldură geotermală. Ciclul Organic Rankine este un sistem de putere ce foloseşte acelaşi principiu ca un sistem de abur ciclu Rankine. Diferenţa dintre aceste două sisteme este fluidul de lucru care este utilizat în fiecare. Ciclul Organic Rankine este folosit în general pentru o sursă de căldură de temperatură scăzută, utilizează fluide organice. Selecţia fluidului de lucru depinde de proprietatile sursei de căldură, fluidul de lucru avand proprietăţi termodinamice, şi condiţiile de operare. proprietăţi optime a fluidului de lucru care urmează să fie luate în considerare includ adecvate curbe termodinamice de proprietate, punctul de îngheţ scăzut, temperatura stabilitată ridicată, costuri reduse, presiunea de lucru corespunzătoare, căldura latentă şi de înaltă densitate, sensibilitatea de mediu. O varietate de modificări ale ciclului de bază au fost folosite în aplicaţii practice de îmbunătăţire a performanţei sistemului. În comparaţie cu ciclul de abur Rankine, Ciclul Organic Rankine, fratele său, este considerat, în general, o tehnologie avansată. Asfel de sisteme au fost instalate peste tot în lume şi aplicate la o varietate de surse de căldură, cum ar fi energia geotermală, energia apei din fântâni stripteuză, energia solară, biomasă şi energie. Ciclurile Organice Rankine sunt, de obicei, în scară industrială. (Hung T, 2001) 2.1 Domeniul de utilizare al Ciclulului Rankine Organic O parte substanţială a energiei produse în industrie este pierdută în timp, pierderi mecanice (frecare) şi pierderile termice (pierderile de căldură). Pierderile de căldură pot fi găsite în uscatoare, incineratoare, gaze de eşapament,etc. Când căldura datorită deşeurilor fi folosit ca o sursă de energie termică utilă în procesul de producţie, de obicei, va fi posibilă pentru a recupera 7
o mulţime de energie cu o unitate tip Ciclu Rankine Organic, astfel încât pierderile pot fi minimizate. În acest fel, căldura reziduală poate fi transformată într-o cantitate limitată de energie mecanică, care poate fi folosită pentru generarea de electricitate sau ca o putere de conducere pentru anumite echipamente. (Holdmann G, 2007) Tehnologia Ciclulului Rankine Organic are multe aplicaţii posibile. Printre ei, pe scară largă şi domeniile cele mai promiţătoare sunt următoarele:
deşeuri de căldură de recuperare,
biomasă centrală electrică,
instalaţii geotermale,
solare termice.
Deşeuri de recuperare a căldurii Deşeurile cu recuperare de căldură este cel mai important domeniu de dezvoltare pentru Ciclul Rankine Organic. Poate fi aplicat la căldură şi centralelor electrice, cogenerare, sau pentru utilizatorii industriali şi proceselor agricole, cum ar fi produse de fermentaţie ecologice, epuizează căldura de la cuptoare, condensarea gazelor de ardere. Biomasă centrală electrică Biomasa este disponibilă peste tot în lume şi poate fi utilizata pentru producerea de energie electrică pentru centralele electrice mijlocii scalate. Problemă fiind costurile ridicate de investiţii specifice pentru maşini cum ar fi cazanele de abur ce sunt depăşite din cauza presiunilor reduse de lucru în centralele electrice. Ciclul Rankine Organic, de asemenea, ajută la depăşirea sumei relativ mici de combustibil de intrare, disponibile în multe regiuni. Instalaţii geotermale Sursa de căldură geotermică variază de la temperatura de 50 - 350 ° C. Ciclul Rankine Organic, prin urmare, este perfect adaptat pentru acest tip de aplicaţie. Cu toate acestea, este
8
important să se ţină cont de faptul că pentru sursele de joasă temperatură, eficienta este foarte scăzută şi depinde puternic de temperatura radiatorului. Solare termice Ciclul Rankine Organic poate fi folosit în solar parabolic, tehnologic, în loc de abur,cazul ciclului Rankine obişnuit. Ciclul Rankine Organic permite o temperatură mai mică colector, o colectare mai buna eficienta (redus pierderile înconjurător) şi, prin urmare, posibilitatea de a reduce dimensiunea câmpului solar. (Cohen G, 2004) 2.2 Principiul de funcţionare al Ciclului Rankine Organic Principiul de funcţionare al Ciclului Rankine Organic este acelaşi cu cel al ciclului Rankine: fluidul de lucru este pompat într-un cazan unde este evaporat, trece printr-o turbină şi este în cele din urmă re-condensat. (Yamamoto T, 2001)
Fig.4 Diagrama Ts pentru Ciclul Rankine Organic ideal / real.
În ciclul ideal, extinderea este isentropică iar procesele de evaporare si condensare sunt izobarice. 9
În ciclul real, prezenţa ireversibilităţii reduce ciclul de eficienţă. Aceste ireversibilităţi, în principal, să apară:
În timpul de expansiune: doar o parte a energiei recuperabile din diferenţa de presiune este transformată în lucru util. De altă parte este convertită în căldură şi se pierde. Eficienţa este definită prin comparaţie cu o expansiune isentropică.
În schimbătoarele de căldură: fluidul de lucru are un drum lung şi sinuos, care asigură schimbul de căldură bun, dar cauzele, picături de presiune care reduc cantitatea de energie recuperabilă din ciclul. (Gaia M, 2006)
2.3 Alegerea fluidului de lucru Selecţia fluidului de lucru este de o importanţă cheie. Din cauza temperaturii scăzute, ineficienţele de transfer de căldură sunt foarte dăunătoare. Aceste ineficienţe depind foarte puternic de caracteristicile termodinamice ale fluidului şi de condiţiile de funcţionare. În scopul de a recupera caldura de calitate inferioară, lichidul are în general o temperatura mai mică decât apa de fierbere. Frigorificii şi hidrocarburile sunt două componente utilizate în mod obişnuit. (Drescher U. and Bruggemann D, 2007) Cele mai multe fluide organice sunt aşa-numitele fluide uscate. Aceste fluide uscate au avantajul că rămân supraîncălzite după extindere, astfel condensarea fluidului din turbina pote fi evitată. Unele fluide utilizate frecvent sunt:
pentan,
propan,
toluen,
amoniac,
unii agenţi de răcire.
2.4 Avantaje ale Ciclului Rankine Organic Principala diferenţă dintre fluidele organice şi apă este energia la evaporare. Evaporarea de lichide organice, de obicei, are loc la temperatură mai joasă şi presiune. Caracteristicile termodinamice şi chimice ale acestor fluide nu mai necesită supraîncălzire. Pierderile prin 10
scăderea temperaturii mai pot fi folosite ca o sursă de căldură la instalarea Ciclului Rankine Organic. Acest lucru face ca Ciclul Rankine Organic sa fie extrem de potrivit pentru recuperarea căldurii reziduale din industrie.
Fig.5 Conceptul de Ciclu Rankine Organic
Prin selectarea unui fluid de lucru cu o densitate relativ mare la temperatura de condensare, utilizarea turbinelor cu condensare mare poate fi evitată. Diferenţa de temperatură mai mică între evaporare si condensare, înseamnă o cădere de presiune. (Cuevas C, and I.V. Teodorese, 2007) Raportul va fi mult mai mic, deşi acest lucru depinde de fluidul utilizat. În acest caz, utilizarea turbinelor multietajate nu mai este necesară. Mai mult, durata de viaţă a turbinei este mult mai lungă, deoarece nu se mai formeaza picaturi de lichid în timpul expansiunii, astfel nu se vor produce eroziuni ale paletelor turbine. Ciclul Rankine Organic pote fi, de asemenea, uşor de utilizat ca o unitate de cogenerare, prin selectarea unei temperaturi mai mare de condensare. Căldură din condensator poate fi utilizată pentru a produce apă caldă, ce poate fi folosită pentru încălzire în clădiri. Nu există nici un tratament suplimentar pentru degazarea fluidului de lucru necesar, ca în cazul de apă / abur. De asemenea, nu este necesară spălarea nămolului format în vaporizator.
11
2.5 Dezavantajele Ciclului Rankine Organic Având în vedere că temperatura de după extindere în turbină (4-5 din Fig.4) rămâne pentru cele mai multe fluide ale Ciclului Rankine Organic mai mare decât temperatura de condensare, această căldură suplimentară trebuie extrasă în condensator. Totuşi, aceasta este în detrimentul eficienţei termice.
Fig.6 Amplasarea regeneratorului în Ciclul Rankine Organic
Această pierdere poate fi minimalizată prin integrarea unui schimbător de căldură suplimentar în instalaţia Ciclului Rankine Organic. Această căldură recuperată (5-6) este apoi utilizată la preîncălzirea fluidului care este pompată la cazan pentru evaporare în continuare. Acest schimbător de căldură suplimentară este de obicei numit recuperatorul sau regenerator Fig.4. Eficienţa unei unităţi a Ciclului Rankine Organic variază de la 10 la 20%, în funcţie de nivelurile de temperatură şi utilizarea unui regenerator. Procesul de selecţie a unui fluid de lucru adecvat nu este asa de usor. Pentru cea mai mare parte a fluidelor organice tabelele de vapori şi curbe de saturaţie sunt necunoscute. Fără cunoaşterea presiunilor de saturaţie şi temperaturilor, nu este posibil să se evalueze caracterul adecvat al unui fluid în orice aplicaţie dată. Fiecare fluid organic dispune de proprietăţi specifice 12
proprii. Prin urmare, nu orice lichid poate fi utilizat într-o anumită aplicaţie. În funcţie de tip, sursa de căldură, nivelul de temperatură, cu o evaporare corespunzătoare şi la temperaturi de condensare trebuie să fie ales fluidul de lucru adecvat. (Nowak W, 2007) Fiecare Ciclu Rankine Organic este construit pentru un fluid de lucru dat, deci nu este întotdeauna optimă o unitate disponibilă pe piaţă pentru fiecare tip de sursa de caldură. În general, constructorii oferă doar un standard de cateva unităţi cu propriile lor lichide organice. În acest fel, energia de la sursa de caldură nu este întotdeauna recuperată optim. Unii furnizori dezvoltă, de asemenea, clientului unitati ale Ciclului Rankine Organice adaptate, dar de obicei aceste unităţi sunt foarte scumpe. Cu toate acestea, tehnologia este încă în dezvoltare şi, în multe cazuri, încă nu este optimizată. De asemenea, următoarele aspecte ale fluidului de lucru ar trebui să fie luate în considerare:
toxicitate,
de siguranţă,
explozivitate,
inflamabilitatea,
probleme de mediu.
În consecinţă, toate măsurile de siguranţă şi legislaţie necesită a fi consultate. Concluzii Ciclurile Rankine Organice sunt o modificare bine cunoscută a Ciclului Clausius Rankine; utilizarea fluidelor organice oferă diverse avantaje; tehnologia Ciclu Rankine Organic pentru producţia de energie electrică din biomasă şi de căldură geotermală este de ultimă oră; Ciclurile Rankine Organice sunt de asemenea potrivite pentru recuperarea deşeurilor de căldură şi a producerii energiei din căldură solară, aceste aplicaţii sunt supuse unor cercetări suplimentare; eficienta termică a acestui sistem a fost îmbunătăţită considerabil; eficienţa globală a instalaţiilor de cogenerare; 13
Sistemele de cogenerare bazate pe Ciclul Rankine Organic au o bună fezabilitate pentru întreg spaţiul European.
14
Bibliografie Cable R, Brosseau D, Price H. 2004. Parabolic trough organic rankine cycle solar power plant, NREL/CP-550-37077, In: The 2004 DOE Solar Energy Technologies, Denver, USA Cuevas C, Lebrun J, and Teodorese I.V. 2007. Contribution à l'étude des cycles de Rankine de récupération de chaleur, VIIIème Colloque Interuniversitaire Franco-Québécois sur la Thermique des Systèmes, Montréal, Canada, ART-05-03 Drescher U and Bruggemann D. 2007. Fluid selection for the Organic Rankine Cycle (ORC) in biomass power and heat plants Fankam B. T., Papadakis G, Lambrinos G, Frangoudakis A. 2009. Fluid selection for a lowtemperature Gaia M. 2006. Turboden ORC Systems “Electricity Generation from Enhanced Geothermal Systems”, Strasbourg Haywood R.W. 1980. Analysis of Engineering Cycles. Pergamon Press. ISBN: 0-08-025440-3 Holdmann G. (Chena Power), ORC Technology for Waste Heat Applications, Presented at the Diesel Heat Recovery and Efficiency Workshop, December 2007 Hung T. 2001. Waste heat recovery of organic Rankine cycle using dry fluids. Energy Conversion and Management 42: 539-553 Nowak W, 2007. Comparative analysis of natural and synthetic refrigerants in application to low temperature Clausius-Rankine cycle. Energy (32): 344-352 Whalley P.B. 1992. Basic Engineering Thermodynamics. Oxford University Press. ISBN: 0-19856255-1 Yamamoto T, Furuhata T, Arai N and Mori K. 2001. Design and testing of the Organic Rankine Cycle Energy 26: 239-251
15
16
