ORC = organický Rankine Clausiův oběh

Transkript

1 ORC = organický Rankine Clausiův oběh Termodynamické vlastnosti látek Oběh parní elektrárny (PE) je definován jako RC (Rankine Clausiův). Tj. přívodem tepla se látka mění z kapalného do plynného skupenství (dvoufázové prostředí pracovní látky TO). Každá látka se obecně může nacházet ve všech třech fázích (pevné, kapalné, plynné). Aby se ale látka mohla dostat do příslušné fáze musí mít určité termodynamické parametry tlak, teplotu, objem. Přechody jednotlivých fází jsou ukázány v p-v, diagramu obr.1. obr.1: Fázové přechody látek Význačnými body látek a tím pracovních látek TO jsou: Triple point trojný bod Zde se stýkají všechny tři fáze látek. Critical point Kritický bod tvořící rozhraní mezi kapalnou (liquid), plynou (gaseous) fází. Critical presure Kritický tlak, je hodnota při kterém látka přívodem tepla neprochází procesem postupné změny fáze (neprochází přes rozhraní kapalné a plynné fáze modrá křivka (odpařování)) do plynného skupenství (nebo obráceně), ale přímo do stavu přehřáté páry (superheated vapour). Kritical temperature - Kritická teplota představuje rozhraní mezi nadkritickými parametry kapalného a plynného skupenství (supercritical fluid, superheated vapour přehřátá pára). Z teoretického hlediska můžeme v RC oběhu použít jakoukoliv pracovní látku, ale je nutné aby měla výhodné termodynamické vlastnosti. Volba pracovní látky RC oběhu Termodynamické vlastnosti pracovní látky pro TO v parních obězích má zásadní význam pro možnost jejího použití. Mezní křivky rozdělující jednotlivé fáze pracovní látky můžou mít různý průběh. Při porovnání s průběhem ideálního Carnotova oběhu (CO) se jeví jako nejvýhodnější pracovní látka ta, která má pravou mezní a levou mezní křivku přibližně rovnu izoentropě obr 2. Zisk technické práce a T je

2 pak obdélníkového charakteru. Čím vyšší teplota přívodu do TO tím vyšší bude tepelná účinnost. Teplota odvodu tepla je limitována teplotou okolí. T [K] K sytá pára absolutní teplota 4 3 a T q O 1 2 obr.2: RC s ideální pracovní látkou entropie s [kj/kg.k] Expanze v tepelném motoru (1-2), probíhá na mezní křivce, není do oblasti mokré páry, a tím i ztráty tepelného spádu jsou minimální (vliv větší hmotnosti kapiček mokré páry). Reálné pracovní látky však takovýto průběh mezních křivek nemají. Většinou levá mezní křivka má vždy průběh odpovídající vzrůstu entropie při přívodu kapalinného tepla pracovní látce (3-4 obr.2). Pravá mezní křivka (sytá pára) pak určuje charakter pracovní látky. obr.3: RC oběh v R22 n Mokré pracovní látky Některé látky (vodu a některé organické látky) lze zařadit mezi takzvané mokré látky látka po adiabatické expanzi v TM se dostává do oblasti mokré páry. Na obr.3 je znázorněn parní oběh v látce označované R22 - FREON 22 která stejný charakter mezní křivky jako voda jednotlivé charakteristické body mají ale jiné hodnoty (kritické body). Chemický název této látky je Chloridfluoromethan (molekulární složení - CHClF 2 ).

3 Fyzikální termodynamické parametry látky: hustota kapaliny při 69 C 1,49 g/cm 3 hustota kapaliny při 41 C g/cm 3 hustota plynu při 41 C kg.m -3 měrná hmotnost při 21 C 3.08 (vzduch má 1) měrný objem při 21 C m³.kg -1 hustota plynu při 15 C 3.66 kg.m -3 trojný bod (T t ) C ( K) kritická teplota (T c ) 96.2 C (369.3 K) kritický tlak (p c ) MPa (49.36 bar) kapaliné (latentní) teplo při teplotě C kj.kg -1 měrná tepelná kapacita (c p ) při 30 C kj.mol -1.K -1 měrná tepelná kapacita (c v ) při 30 C kj.mol -1.K -1 molekulární hmotnost g/mol Z obr 3 je patrné, že po expanzi v TM křivka 5-6, je látka v oblasti mokré páry při teplotě -30 C, kdy probíhá kondenzace. RC oběh je shodný s RC oběhem pro vodu, pouze při jiných teplotách. Samozřejmě expanze na teplotu -30 C je nepřijatelná z energetického hlediska. (teplota okolí). Protože se v TM mění tepelná energie na kinetickou má důležitý význam pro zisk kinetické energie i molární hmotnost látky. Je zřejmé, že látky s vyšší molární hmotností budou získávat menší rychlost. Molární hmotnost je fyzikální veličina, která udává hmotnost jednotkového látkového množství dané látky (tedy hmotnost 1 molu). Molární hmotnost lze určit ze vztahu: n látkové množství fyzikální veličina vyjadřující počet entit (elementárních jedinců), kterými jsou zpravidla částice látky (atomy, ionty, molekuly). V soustavě SI látkové množství číselně vyjadřuje poměr počtu entit k počtu částic v 12 g uhlíku 12 (asi 6, , tzv. Avogadrova konstanta - N A ). Všechny látky mají v základní jednotce látkového množství mol stejné množství částic. N počet částic v látce. Rychlostní proud vznikající v tryskách (dýzách) turbíny je nepřímo úměrný druhé mocnině molekulární hmotnosti pracovní látky TO. Voda má malou molekulární hmotnost, a tím vznikají

4 velké rychlosti, a je proto nutné používat vícenásobnou expanzi (tlakové stupně) v turbíně a vysoké rychlosti otáčení. Při nízkých výkonech turbín je nevýhodné používat vysoké rychlosti otáčení a dělení expanze v turbíně do tlakových stupňů (což je pro turbíny vyšších výkonů výhodné), protože je to ekonomicky nákladné a také neúměrně narůstají ztráty viz tabulka. Poměr rychlosti otáčení lopatek k rychlosti proudění par musí být přibližně konstantní. Výkonová hladina P E Vodní pára Ideální tepelná účinnost η t,i Látky s vysokou molovou hmotností [kw E ] [%] [%] > kw kw Většinou lze využívat chlor-fluorované uhlovodíky, které se využívají často v chladících obězích nebo uhlovodíky. Látky obsahující Cl jsou nepřijatelné z hlediska ochrany ŽP ozónová díra. S ohledem na výše uvedené skutečnosti termodynamických vlastností látek je výhodné používat ORC cykly v případě: nízkých teplotách dosahovaných v tepelných TZ (obnovitelné zdroje), použití nízkých výkonů turbín. Izoentropické pracovní látky Organické pracovní látky izoentropické mají pravou mezní křivku rovnou přibližně izoentropické expanzi probíhající ideálně v TM. Na obr.4 je znázorněna mezní křivka organické látky technického označení R11 freon 11 - Trichlorofluorometan. Je vidět že látka po expanzi zůstává v oblasti přehřáté páry.

5 obr.4: RC oběh v R11 Kritická teplota je nižší než u vody, tj. tento oběh je realizován při nižší horní teplotě ekvivalentního CO. Termodynamická nižší teplota znamená, že látka má nižší tepotu bodu varu při stejném tlaku jako voda a má nízký bod tuhnutí. Přehřívání par většinou není moc možné protože maximální možná použitá teplota je limitován stabilitou uhlovodíků. Při vysokých teplotách se rozkládají. Suché pracovní látky U organických suchých pracovních látek se entropie nasycených par zvyšuje s teplotou, tj. s poklesem tlaku kondenzace klesá i entropie obr. 5. obr.4: RC oběh v C 5 H 12 Po skončení expanze v TM na tlak odpovídající teplotě okolí zůstává látka v oblasti přehřáté (bod 6 ) páry. Pracovní látkou v tomto případě je uhlovodíková sloučenina C 5 H 12 Izopentan. Fyzikální termodynamické parametry látky:

6 měrný objem při 21 C m³.kg -1 trojný bod (T t ) -160 C (113 K) kritická teplota (T c ) 96.2 C (460,4 K) kritický tlak (p c ) 3.38 MPa molekulární hmotnost g/mol Termodynamické vlastnosti nejsou tak výhodné jako u izoenteropických látek, ale nejsou škodlivé vůči životnímu prostředí. Volba optimální pracovní látky pro ORC Jak bylo řečeno ORC oběhy jsou nízkoteplotní TO, tj. teplota přívodu je nižší než u klasických RC cyklů a lze využít buď látky využívané v chladících obězích, nebo směsi uhlovodíků. Otáyká jako látku tady zvolit. Optimální pracovní látka pro ORC oběh by měla splňovat následující podmínky: izotermická pracovní látka, nízký bod tuhnutí, vysoká teplotní stabilita, vysokou hodnotu latentního tepla malý vliv na životní prostředí Relativně nízká cena, dobrá dostupnost Porovnání jednotlivých látek je provedeno v tabulce. kde: Látka Vzorec M Typ n t v m o t stb v r h - [g/mol] - [-] [ºC] [kg/m 3 ] [ºC] [m 3 /kg] [kj/kg] [kj/kg] Voda H 2 O 18 m , Metanol CH 3 OH 32 m , Fluorinol CF 3 CH 2 OH 88 m , Tolulen C 7 H 8 92 s , Freon R11 CCl 3 F 137 m,s , Freon R113 C 2 Cl 3 F 187 s , M - molární hmotnost, n - počet atomů v molekule, t v - teplota bodu varu při tlaku 1 MPa, t stb - teplota stability, v - měrný objem sytých par při teplotě bodu varu, r - výparné teplo při tlaku 0,1 MPa, h - tepelný spád v turbíně, m o - hmotnostní objem.

7 U ORC oběhů se nejčastěji používají suché organické látky, u kterých se entropie nasycených par zvyšuje s teplotou. Technické provedení ORC oběhů Při použití suchých pracovních látek je nutné provést rekuperaci zbytkového přehřívacího tepla zpět do TO. K tomuto účelu se používá regenerátor obr.5. Obr.5: Rekuperace přehřívacího tepla u ORC oběhů Vlastní realizace ORC je modulově obr. 6. Jejich výkonový rozsah elektrického se pohybuje v rozmezí 200 až 1500 kw E. Většího výkonu lze v případě potřeby dosáhnou paralelním propojováním modulů.

8 Obr.6: Schéma modulu ORC oběhu. Jako zdroj tepla pro odpaření těchto organických uhlovodíků se používá termoolej (silikonový olej s větším podílem anorganických látek), ohřívaný například v kotli na biomasu, na teplotu cca 300 C. Čirý silikonový olej je chemicky velmi stálý a teplotně odolný. Vyrábí se v široké škále typů s různými fyzikálními vlastnostmi; bodem tuhnutí, bodem vzplanutí, viskozitou a její teplotní závislostí. Je nemísitelný s vodou, má vhodné dielektrické vlastnosti. Při výběru typu pro lázeň nebo chladicí systém je nutné vždy zvolit vhodný typ oleje nejen dle teploty tuhnutí, ale i vzplanutí a závislosti viskozity na teplotě pro uvažovaný teplotní interval. Silikony jsou synteticky připravené organické makromolekulární látky. Silikáty jsou anorganické látky na bázi SiO 2 (-Si-O-Si-O-) polysiloxanový řetězec. Na Si se váže -H, - CH 3, -C 6 H 5 (fenyl) a-c 2 H 5 (vinyl), pak těmto látkám říkáme silikony. Tepelná odolnost je od 200 do 280 C. Vazba Si-O je tepelně odolná a stálá. Výroba silikonů je náročná, proto jsou drahé. Vlastnosti se téměř nemění v rozsahu teplot od 90 C do 280 C..Jsou chemicky netečné a nejedovaté.