В данной статье проведено сравнение органического цикла Ренкина с паровым циклом Ренкина. Выявлены различия между ними и преимущества каждого, сделаны выводы.
Ключевые слова: органический цикл Ренкина, паровой цикл Ренкина
С каждым годом потребление энергии только увеличивается, и большая ее часть приходится на тепловую энергию. Но, к сожалению, часть тепловой энергии просто рассеивается в окружающую среду. Что бы утилизировать низкопотенциальную энергию используют цикл Ренкина работающий на органических веществах (класс соединений, в состав которых входит углерод, за исключением оксидов углерода, цианидов, карбидов и карбонатов) с температурой кипения ниже, чем у воды. Это позволяет реализовывать цикл Ренкина при более низкой температуре. Такой цикл носит называют органическим циклом Ренкина (ОЦР) [1].
На рисунке 1 представлена T-s диаграмма кривых насыщения воды и еще нескольких органических веществ используемых в ОЦР.
Рис. 1. T-s диаграмма воды и различных органических жидкостей
Исходя из рисунка, можно выделить два главных различия:
1) У органических жидкостей кривая насыщения пара (правая кривая) более близка к вертикали, в то время как для воды эта кривая имеет пологий наклон. В результате, пар органических жидкостей сохраняет свои качества в конце процесса расширения, и нет необходимости перегревать пар перед входом в турбину.
2) Разность энтропии между насыщенной жидкостью и насыщенным паром значительно меньше у органических жидкостей. Следовательно, и энтальпия парообразования меньше. Поэтому, для повышения мощности установки приходится увеличивать массовый расход органической жидкости, что приводит к увеличению мощности потребляемой насосом.
Основные различия между ОЦР и паровым циклом следующие:
– Перегрев. Как было указано ранее, органические жидкости обычно остаются перегретыми в конце процесса расширения. Таким образом, нет никакой необходимости в перегреве в ОЦР по сравнению с паровыми циклами. Отсутствие конденсата в проточной части турбины также снижает риск коррозии на лопатках турбины, и продлевает срок ее службы до 30 лет, тогда как для паровых турбин он составляет 15–20 лет [2].
– Низкая температура восстановления тепла. Из-за более низкой температуры кипения, тщательно выбранной органической жидкости, тепло может быть восстановлено при более низкой температуре (например, с помощью геотермальных источников).
– Габариты оборудования. В паровом цикле, плотность воды крайне низка в части низкого давления. Так как падение давления увеличивается с квадратом скорости жидкости, большой объемный расход требует увеличения гидравлического диаметра трубопроводов и размеров теплообменников. Подобным образом, размер турбины примерно пропорционален объемному расходу.
– Конструкция котла. ОЦР позволяет использовать прямоточные котлы, которые исключают паровые барабаны и рециркуляцию. Это происходит из-за относительно меньшей разности плотностей между пара и жидкости у органических тел с высокой молекулярной массой. В отличие от этого, низкая плотность пара в паровых котлах может генерировать очень разные характеристики теплопередачи и падения давления между жидкой водой и паром.
– Температура на входе в турбину. В паровых циклах Ренкина, в связи с перегревом, температура на входе в турбину должна быть выше 450 С, для избегания образования капель в процессе расширения. Это приводит к увеличению тепловых нагрузок в котле и на лопатках турбины и удорожанию материала оборудования.
– Мощность насоса. Мощность насоса пропорциональна объемному расходу жидкости и разности давлений на входе и выходе насоса. Это может быть выражено в термине Black Work Ratio (BWR), который определяется как мощность насоса, деленная на выходную мощность турбины. В паровом цикле Ренкина, расход воды относительно небольшой и BWR обычно 0,4 %. Для высокотемпературного ОЦР с использованием толуола BWR 2–3 %, а для низкотемпературного ОЦР работающего на R-134a это значение, как правило, выше 10 %.
– Высокое давление. В паровом цикле, давления около 60–70 бар и высокие тепловые нагрузки увеличивают сложность конструкции и стоимость паровых котлов. В ОЦР давления обычно не превышают 30 бар. Кроме того, рабочая жидкость не испаряется непосредственно за счет источника тепла (например, сгорание биомассы), а через промежуточное теплообменное оборудование.
– Давление конденсации. Для избегания попадания воздуха в цикл, желательно чтобы давление конденсации было выше атмосферного. Однако вода имеет давление конденсации обычно ниже на 100 мбар от абсолютного давления. Такие низкотемпературные органические жидкости как R-245fa, R-123 и R-134a отвечают этому требованию. Органические жидкости с более высокой критической температурой, такие как гексан или толуол, имеют давление ниже атмосферного при температуре окружающей среды.
– Характеристики жидкости. Вода весьма удобное рабочее тело в сравнении с органическими жидкостями. Ее основные преимущества — низкая стоимость, широкая доступность, не токсичность, негорючесть, низкий потенциал глобального потепления, нулевой потенциал разрушения озонового слоя, химическая стабильность (при кипении сохраняются ее рабочие характеристики) и низкая вязкость (следовательно, меньшие трения и более высокие коэффициенты теплопроводности). Тем не менее, паровые циклы имеют и недостатки: вода теряется в результате утечек, дренажа и продувки котла. Таким образом, система водоподготовки должна быть интегрирована с электростанцией, для подпитки цикла деионизированной водой высокой степени чистоты. Деаэратор также необходим, для удаления коррозионно-активных газов.
– Конструкция турбины. В паровых циклах, отношение давлений и теплоперепад на турбину являются очень высокими. Как следствие, зачастую используются многоступенчатые турбины. В ОЦР, теплоперепад значительно ниже, и обычно используют одно или двухступенчатые турбины, что влечет за собой более низкую стоимость. Уменьшаются также скорость вращения ротора и окружная скорость. Низкая скорость вращения ротора позволяет использовать прямой привод электрогенератора, а низкая окружная скорость уменьшает нагрузки на лопатках турбины и упрощает конструкцию.
– Эффективность. Эффективность высокотемпературных ОЦР не превышает 24 %. Паровые циклы Ренкина имеют термические КПД выше 30 %, но с более сложной конструкцией.
В таблице 1 перечислены преимущества каждой технологии.
Таблица 1
Преимущества ОЦР ипарового цикла Ренкина
|
Преимущества ORC |
Преимуществапарового цикла |
|
Нет перегрева |
Высокая эффективность |
|
Низкая температура на входе турбины |
Дешевая рабочая жидкость |
|
Компактность (более высокая плотность жидкости) |
Экологически чистая рабочая жидкость |
|
Более низкое давление испарения |
Невоспламеняющаяся, нетоксичная рабочая жидкость |
|
Более высокое давление конденсации |
Низкая мощность насоса |
|
Отсутствие системы водоподготовки и деаэратора |
Высокая химическая стабильность рабочей жидкости |
|
Конструкция турбины |
|
|
Низкая температура регенерации тепла, прямоточный котел |
Таким образом, Органический цикл Ренкина более интересен для низких и средних диапазонов мощностей (обычно меньше чем пару МВт). И часто используется для выработки электроэнергии на небольших децентрализованных электростанциях. Для получения больших диапазонов мощностей, предпочтительным остается паровой цикл, за исключением низкотемпературных источников тепла [3].
Литература:
- Белов Г. В., Дорохова М. А. Органический цикл Ренкина и его применение в альтернативной энергетике // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. — 2014. — № 2. — С. 99–124.
- Bundela PS, Chawla V. Sustainable development through waste heat recovery // American Journal of Environmental Sciences. — 2010. — 6(1). — 83–9.
- Vankeirsbilck I, Vanslambrouck B, Gusev S, De Paepe M. Organic Rankine Cycle as efficient alternative to steam cycle for small scale power genera- tion. In: Proceedings of the HEFAT 2011 conference, Mauritius, 2011.
