Organic Rankine
Cycle
Cycle
Odzysk ciepła odpadowego w postaci energii
elektrycznej
Idea CHP
CHP  Combined Heat and Power
Kogeneracja
" Równoczesna produkcja dwóch lub więcej typów energii
użytkowej z pojedynczego z
ródła energii
" Wykorzystanie ciepła odpadowego z urządzeń
wytwarzających energię elektryczną
Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła pozwala
na przetworzenie energii pierwotnej z bardzo wysoką
sprawnością.
Energetyka rozproszona
Energetyka rozproszona
Skojarzone wytwarzanie
energii elektrycznej i ciepła
Spaliny wylotowe
Sprawność odzysku ciepła (55/70) = 78,6%
15 jednostek
Sprawność całkowita ((30+55)/100) = 85,0%
Ciepło
55 jednostek
Zapotrze-
Zapotrze-
Kocioł
bowanie
odzyskowy
ciepła
Ciepło + Spaliny
70 jednostek
Paliwo En. el.
30 jednostek
Zapotrze-
100 jednostek
Turbina, silnik itp.
Generator
bowanie
na en. el.
Skojarzone wytwarzanie
energii elektrycznej i ciepła
a) rozdzielone
wytwarzanie ciepła
i energii elektrycznej
w kotle grzewczym
w kotle grzewczym
i w elektrowni
kondensacyjnej
b) skojarzone
wytwarzanie ciepła
i prądu w bloku
siłowniano-
ciepłowniczym
Domowa Mikrosiłownia Kogeneracyjna
Obieg Clausiusa-Rankine a
Obieg Rankine a jest obiegiem porównawczym w
przypadku klasycznej siłowni parowej.
Obieg Clausiusa-Rankine a
Organic Rankine Cycle
" Organic Rankine Cycle  (ORC) są to układy pracujące w obiegu siłowni
parowej, w których czynnikiem roboczym, zamiast pary wodnej, jest
wybrany związek organiczny.
" Pierwsza eksperymentalna elektrownia ORC powstała w 1967 r. w
miejscowości Paratunka (Kamczatka, Rosja) i miała moc 680 kW, a
miejscowości Paratunka (Kamczatka, Rosja) i miała moc 680 kW, a
zasilana była wodą geotermalną o temperaturze 81�C.
" Po początkowej fascynacji technologią ORC prace nad jej rozwojem
wstrzymano w końcu lat 80-tych. Powodem było stosowanie
węglowodorów fluorochlorowych w roli czynników roboczych
(zagrożenie dziurą ozonową). Obecnie, w związku z wejściem do użycia
nowych czynników chłodniczych, zainteresowanie nią ponownie
wzrosło.
Organic Rankine Cycle
" W układach ORC jako czynnik roboczy wykorzystuje się związki
organiczne, umożliwiające (dzięki odpowiednim parametrom
przemian fazowych) dokładne dostosowanie do temperatury z
ródeł
ciepła. Lekkie węglowodory stosowane w układach ORC
ciepła. Lekkie węglowodory stosowane w układach ORC
charakteryzują się ciepłem parowania stanowiącym ok. 17% ciepła
parowania wody. Związki te spełniają w układzie taką samą rolę
jak woda w układzie parowym, jednakże pracują w innym
przedziale ciśnień.
" Instalacje ORC charakteryzują się zwartą budową i niewielką
ilością elementów składowych, dodatkowo małe jednostki mogą
być uruchamiane i sterowane zdalnie, praktycznie bez udziału
obsługi.
Schemat cieplny siłowni ORC
Schemat cieplny wraz z wykresem T-S
Wykres T-S dla różnych czynników
Porównanie obiegu Clausiusa
Rankine a i obiegu ORC w układzie T-S
Obieg siłowni parowej w Obieg siłowni ORC w układzie T-S
układzie T-S
Schemat instalacji przykładowej
elektrociepłowni
woda/ para wodna
czynnik organiczny
1w nośnik ciepła
odpadowego
Skraplacz/parowacz
4w A
5w
5n
Turbina
1n
parowa
B
3w
C
Pompa
cyrkulacyjna ~
4n
Podgrzewacz I
Generator
2ns
Skraplacz
3n
Pompa
cyrkulacyjna
4n
5n
Podgrzewacz II
2s
1s
Punkty charakterystyczne na wykresie T-S
Temperatura odparowania wody w kotle T1w (R236fa = 105�C,
R236ea = 110�C, R245fa = 115�C, cykloheksan =120�C)
Kocioł typu SPD 2900, moc 2000kW
T
T
T
T
Tcr
Tcr x=0
x=1
5n
x=1
1n
x=0
5w 1w
organic fluid
2sn
4n
4w
2n
3n
3w
s s
Punkty charakterystyczne Punkty charakterystyczne obiegu
dla sieci wodno  parowej C-R z czynnikiem organicznym
Wybrane organiczne czynniki robocze  sprawność
termiczna w zależności od wyboru czynnika
22
21
20
R236fa
19
R236ea
R245fa
R245fa
18
18
cykloheksan
17
woda
16
15
14
103/105 108/110 113/115 118/120
T1n/T1w �C
Sprawność termiczna elektrowni w funkcji temperatury pary wodnej
wytwarzanej w kotle (i związanej z nią temperatury odparowania
czynnika organicznego) dla wybranych substancji roboczych
termiczna elektrowni %
Sprawno
ść
termiczna elektrowni %
Wybrane organiczne czynniki robocze  moc
elektryczna w zależności od wyboru czynnika
700
600
R236fa
R236ea
500
R245fa
R245fa
400
cykloheksan
woda
300
200
103/105 108/110 113/115 118/120
T1n/T1w �C
Moc elektryczna siłowni w funkcji temperatury pary wodnej wytwarzanej
w kotle (i związanej z nią temperatury odparowania czynnika
organicznego) dla wybranych substancji roboczych.
el
Moc elektryczna kW
Moc elektryczna kW
Wybrane organiczne czynniki robocze  strumień
czynnika roboczego w zależności od wyboru czynnika
45
40
35
R236fa
30
Wybrane organiczne czynniki
R236ea
25
robocze  sprawność
robocze  sprawność R245fa
20
20
cykloheksan
15
termiczna w zależności od
termiczna w zależności od
woda
10
wyboru czynnika
5
0
103/105 108/110 113/115 118/120
T1n/T1w �C
Strumień czynnika roboczego krążącego obiegu siłowni w funkcji
temperatury pary wodnej wytwarzanej w kotle (i związanej z nią
temperatury odparowania czynnika organicznego) dla wybranych substancji
roboczych.
obiegu kg/s
obiegu kg/s
czynnika roboczego w
Strumie
ń
czynnika roboczego w
Wybrane organiczne czynniki robocze  strumień ciepła
dopr. w zależności od wyboru czynnika
6000
5000
4000
R236fa
R236ea
3000
R245fa
cykloheksan
2000
woda
1000
0
103/105 108/110 113/115 118/120
T1n/T1w �C
Strumień ciepła doprowadzanego z zewnątrz w podgrzewaczu P-II w
funkcji temperatury pary wodnej wytwarzanej w kotle (i związanej z nią
temperatury odparowania czynnika organicznego) dla wybranych
substancji roboczych .
kW
P
P-II
Q
-II
trznego
ciepła doprowadzanego z
zewn
ę
trznego
z

ródła ciepła
Strumi
ęń
ciepła doprowadzanego z
Układ oparty na ORC
Układ oparty na ORC
Układ oparty na ORC  skala wielkości
Układ oparty na ORC  skala wielkości
Zastosowania
Obieg Kalina
Jedną z odmian układów ORC jest tzw. układ Kalina.
Różnica ogranicza się jedynie do czynnika roboczego: w
klasycznym układzie ORC jest to najczęściej izobutan lub
izopentan, a w układzie Kalina mieszanina amoniaku z
izopentan, a w układzie Kalina mieszanina amoniaku z
wodą. Stosunek amoniaku do wody zmieniany jest w
zależności od procesu występującego w obiegu i nie jest
stały podczas wszystkich przemian w nim zachodzących.
Układ Kalina jest obiegiem opartym o cykl Rankine a z
dodanymi członami: destylacyjnym i absorpcyjnym.
Podział obiegów siłowni parowych
Wykorzystanie cyklu Kalina
Przykładowe parametry w instalacji
Porównanie właściwości czynników
roboczych poszczególnych obiegów
Temperatura punktu pęcherzyków w zależności
od ciśnienia i stężenia amoniaku
Temperatura punktu rosy w zależności od
ciśnienia i stężenia amoniaku
Moc w zależności od ciśnienia i stężenia
amoniaku
Zależność mocy el. od temperatury czynnika
przenoszącego ciepło ze z
ródła ciepła
Schemat ideowy układu gazowo-parowego
S - sprężarka
KS1 - komora spalania
T1- turbina części gazowej
T2 - turbiny części parowej
T2 - turbiny części parowej
G1 - generator elektryczny
części gazowej
G2 - generator elektryczny
części parowej
S - skraplacz
PW - pompa wodna
KO - kocioł odzyskowy
Układ Parowo-Gazowy
Układ Parowo - Gazowy (ang. Combined Cycle)
Mikroturbina
Mikroturbina
Mikrowymienniki
Sprawność - geneza
" Woda: małe molekuły (jak pociski) poruszają się z dużą prędkością
- problemy związane z korozją łopatek turbiny
-wielostopniowe turbiny -> duże naprężenia mechaniczne
" Czynnik organiczny: duży strumień masy, duża średnica turbiny
" Czynnik organiczny: duży strumień masy, duża średnica turbiny
- niewielkie straty
- stosunkowo wolne obroty
Porównanie sprawności
(ORC i cykl Kalina)
Porównanie sprawności
(ORC i cykl Kalina)
Porównanie sprawności
Porównanie sprawności - biopaliwa
Zalety
możliwość wykorzystania możliwość podniesienia sprawności
niskotemperaturowych z
ródeł ciepła istniejących już instalacji poprzez odzysk
ciepła odpadowego (odzysk w postaci energii
elektrycznej !)
niewielkie naprężenia
mechaniczne na łopatkach turbiny
mechaniczne na łopatkach turbiny
możliwość pracy nawet w przypadku
obciążeń rzędu 10 %
wolniejsze obroty pozwalają na
bezpośrednie podłączenie do generatora,
bez konieczności stosowania dużych stosunkowo prosty rozruch i zatrzymanie
przełożeń
niewielki poziom hałasu
brak erozji łopatek turbiny (za
wyjątkiem instalacji z obiegiem Kalina) długi czas życia urządzenia
niewielkie nakłady pracy związane z
wysoka sprawność cyklu i turbiny
utrzymaniem ruchu (ok. 3-5 h/tydzień)
Wady
wysokie nakłady inwestycyjne
koszty czynnika obiegowego:
- ORC: starzenie się czynnika i związane z tym okresowe
- ORC: starzenie się czynnika i związane z tym okresowe
koszty jego wymiany
w przypadku obiegu Kalina zagrożenie erozją łopatek turbiny