Organiczny obieg ORC, jego modyfikacje i zastosowania Część 1- Obieg klasyczny ORC oraz jego modyfikacje z czynnikami binarnymi

• Autorzy: Charun H. , Kuczyński W.

Identyfikatory

DOI

10.15199/8.2017.7-8.2

Warianty tytułu

EN

Organic ORC cycle, its modifications and applications Part 1: Classical ORC circuit and its modifications with binary factors

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W dwóch częściach artykułu przedstawiono zarys aktualnego stanu wiedzy w zakresie podstaw teoretycznych i praktycznego zastosowania organicznego, klasycznego obiegu ORC oraz modyfikacji obiegów powstałych na jego bazie. Omówiono różnice między obiegiem Clausiusa -Rankine’a stosowanym jako obieg porównawczy klasycznych elektrowni parowych kondensacyjnych. Zastosowanie czynników niskowrzących w obiegach organicznych ORC pozwala na wykorzystanie niskotemperaturowych źródeł ciepła, co powoduje wzrost możliwości ich wykonania w urządzeniach realizujących zasady kogeneracji, trigeneracji oraz poligeneracji, zwłaszcza w układach średnio- i małoskalowych generacji rozproszonej. Niska sprawność tego typu obiegów jest ich niewątpliwą wadą. W części 1. przedstawiono podstawy termodynamiczne klasycznego obiegu porównawczego ORC, a także stosowane metody tradycyjne podwyższania jego sprawności. Zwrócono szczególną uwagę na możliwości wzrostu efektywności obiegu ORC przez jego modyfikacje. Wśród nich istotne miejsce zajmuje obieg Kaliny, który jest na ogół znany z jego dodatkowymi uzupełnieniami w postaci członu absorpcyjnego. Omówiono w zarysie nowe, prezentowane w literaturze modyfikacje ORC w postaci obiegów: Maloney’a i Robertsona, Uehary i Goswami. Podano zasady stosowania obiegów kombinowanych. W części 2. artykułu, która będzie opublikowana w następnym wydaniu Chłodnictwa, omówiono perspektywiczną ofertę doskonalenia obiegów powstałych na bazie klasycznego układu ORC w postaci obiegów typu OFC ( Organic Flash Cycles), w szczególności TFC (Trilateral Flash Cycle) oraz PEC (Partially Evaporating Cycle), które mają ogromne potencjalne możliwości szerokiego wprowadzenia do układów kogeneracyjnych i trigeneracyjnych w obszarze generacji rozproszonej. Zwrócono uwagę na korzyści, które można osiągnąć stosując obiegi OFC, a także trudności konstrukcyjne elementów realizujących te obiegi.

EN

The article consist of two parts that cover current knowledge concerning theoretical background and practical applications of classical organic ORC cycle as well as other cycles based on the ORC. It describes differences between Clausius-Rankine cycle used as a reference for classic steam-driven power plants. Use of low-boiling working fluids in organic ORC cycle allows to make use of low-temperature heat sources. It broadens the scope of its application with devices for co-generation, tri-generation and poligeneration, especially the mid- and small-scale distributed generation. Low efficiency is of course a disadvantage of those cycles. Part 1 presents theoretical background of classic reference ORC as well as traditional methods used in practice for efficiency improvement. Special attention was paid to possible efficiency improvements by modifying the ORC cycle. Among them, there is the Kalina cycle, well known for its additional absorption part. New modifications like Maloney-Robertson, Uehary and Goswami cycles as well as generals rules for combined cycles were also briefly described in this part. Part 2 of this paper (will be published in the next issue of Chłodnictwo) covers future improvements of the ORC based cycles like the OFC (Organic Flash Cycles), especially the TFC (Trilateral Flash Cycle) and PEC (Partially Evaporating Cycle), that exhibit a huge potential for application in distributed co-generation and tri-generation. Special attention was paid to potential benefits from the OFC cycles and difficulties encountered during designing the parts that perform those cycles.

Słowa kluczowe

PL

klasyczne obiegi termodynamiczne; obiegi ORC; binarne czynniki termodynamiczne

EN

classical thermodynamic circuits; ORC circuits; binary thermodynamic fluids

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Chłodnictwo : organ Naczelnej Organizacji Technicznej
• Rocznik: 2017
• Tom: R.52, nr 7-8
• Strony: 14--23
• Opis fizyczny: Bibliogr. 56 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Charun H.

• Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, Katedra Energetyki

autor

Kuczyński W.

• Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, Katedra Energetyki

Bibliografia

• [1] Badur J.: Rozwój pojęcia energii. Wyd. Instytutu Maszyn Przepływowych PAN, Gdańsk 2009.
• [2] Clausius R.: Über verschiedene für die Anwendung bequeme Formen der Hauptgeleichungen der mechanische Warmetheorie, Poggendorf Annalen 1865, vol. 125, pp. 353-400; J. Math. Pures Appl. 1865, vol. 10, p. 361-400.
• [3] Rankine W.J.M.: A Manual of the Steam Engine and other Prime Movers, London & Glasgow, Griffin 1859, pp. 1-340, trans. G. Richard: Manual de la Machine’ a vapeur et des autres moteurs, Paris 1878.
• [4] Charun H., Kuczyński W. : Podstawy gospodarki energetycznej w zarysie, tom 3, Wyd. Uczelniane Politechniki Koszalińskiej 2016.
• [5] Szargut J., Ziębik A.: Podstawy energetyki cieplnej, Wyd. Naukowe PWN, Warszawa 2003.
• [6] Dyrektywa 2004/8/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 11 lutego 2004 r. w sprawie wspierania Kogeneracji w oparciu o zapotrzebowanie na ciepło użytkowe na rynku wewnetrznym energii.
• [7] Ustawa Prawo Energetyczne z dnia 10 kwietnia 1997 r. Tekst jednolity wg Dz. U. z 2014 r., poz. 457, 490, 900, 942 i 1101.
• [8] Ustawa o odnawialnych źródłach energii z dnia 20 lutego 2015 r., Dz.U. z 2015 r., poz. 478.
• [9] Lewandowski W., M.: Proekologiczne źródła energii odnawialnej, WNT, Warszawa 2001.
• [10] Mikielewicz J., Cieśliński J., T.: Niekonwencjonalne urządzenia i systemy konwersji energii, Wyd. Zakład Narodowy im. Ossolińskich, Wyd. PAN, Wrocław -Warszawa - Kraków 1999.
• [11] Tchanche B.F., Lambrinos G., Frangoudakis A., Apadalis G.: Low - grade heat conversion In to Power Rusing organic Rankine cycle - A review of various applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews 2011, vol. 15, p. 3963-3979.
• [12] Mikielewicz D., Mikielewicz J.: Mikrosiłownie kogeneracyjne - nowy kierunek rozwoju energetyki, Technika Chłodnicza I Klimatyzacyjna 2008, nr 3.
• [13] Mikielewicz D., Mikielewicz J.: A thermodynamic criterion for selection of working fluids for supercritical domestic micro CHP, Applied Thermal Engineering 2010, vol. 30, p. 2357-2362.
• [14] Mikielewicz D., Mikielewicz J., Wajs J., Bajor M.: Mikrosiłownia domowa jako źródło energii cieplnej i elektrycznej, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej 2014, t. XXXI, Z. 86 (3/14), s. 409-416.
• [15] Mikielewicz D., Mikielewicz J.: Mikrosiłownie kogeneracyjne - nowe zastosowania czynników chłodniczych, Technika Chłodnicza I Klimatyzacyjna 2015, nr 11, s. 421-428.
• [16] Kubski P., Lewandowski W.M., Ryms M. : Zwiększenie sprawności procesów technologicznych poprzez zastosowanie układów ORC i systemów trigeneracyjnych, Nafta-Gaz 2010, nr 10, s. 886-891.
• [17] Nowak W., Stachel A.A., Borsukiewicz-Gozdur A.: Zastosowanie odnawialnych źródeł energii, Wyd. Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, Szczecin 2008.
• [18] Maizza V., Maizza A.: Uncoventional working fluids In organic Rankine cycles for waste energy recovery systems, Applied Thermal Engineering 2001, vol. 21, p. 381-390.
• [19] Shaoguang L., Goswami D.Y.: Optimization of Novel Combined Power/Refrigeration Thermodynamic Cycle, Journal of Solar Energy Engineerig 2003, vol. 125, p. 212-217.
• [20] Dubey G.K., Kumar G., Gupta K.: Kalina cycle, National Stud. Conference on “Advances in Electrical & Information Communication Technology’, AEICT-2014, Kanpur 2014.
• [21] Lolos P., Rogdakis E.: A Kalina Power cycle driver by renewable energy sources, Energy 2009, vol. 34, p. 457-464.
• [22] Matsuda K.: Low heat power generation systems, Chemical Engineering Transaction 2013, vol. 35, p. 223-238. TERMODYNAMIKA 7-8/2017 23
• [23] Mazurek R., Valdimarsson P.: Wpływ temperatury wody geotermalnej o niskiej I średniej entalpii na pracę elektrowni z obiegiem Kaliny w warunkach polskich, Technika Poszukiwań Geologicznych 2011, nr 1-2, s. 177-186.
• [24] Ibrahim O.M., Klein S.A.: Absorption Power cycles, Energy 1996, vol. 21, p. 21-27. 17
• [25] Duda J.: Methods for utilization of waste heat from the klinker buning process, Heat Transfer and Renewable Sources of Energy, Wyd. Uczelniane Politechniki Szczecińskiej 2008, s. 435-441.
• [26] Papierowsksa E., Chaczykowski M.: Wykorzystanie technologii ORC w celu wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych, Przegląd Naukowy - Inżynieria i Kształtowanie Środowiska 2013, nr 61, s. 336-347.
• [27] Ibrahim M.B., Kovach R.M.: A Kalina cycle application for Power generation, Energy 1993, vol. 18 (9), p. 961-969.
• [28] Witryna internetowa: Uehara cycle.www.apotec. jp/uehara.html .
• [29] Goswami D.Y.: Solar thermal Power technology. Present status and ideas, Energy Sources 1998, vol. 20, p. 137.
• [30] Goswami D.Y., XU F.: Analysis of a New thermodynamic cycle for combined Power and cooling Rusing low and mid temperature solar collectors. J. Solar Energy Eng. 1999, vol. 12 (2), p. 91-97.
• [31] Goswami D.Y.: Solar thermal Power - status of Technologies and opportuniities for research. In: Jakuria Y., editor: Proceeding of the second ISHMT - ASME heat and mass conference, India, New Delhi, Tata McGraw Hill 1995, p. 57-60.
• [32] VIijayaraghavan S., Goswami D.Y.: A combined power and cooling cycle modified to improve resource utilization efficiency using a destilation stage. Energy 2006, vol. 31, p. 1177-1196.
• [33] Murugan R.S., Subrarao P.M.V.: Thermodynamic analysis of Rankine-Kalina Combined Cycle. International Journal of Thermodynamics 2008, vol. 11, no. 3, p. 133-141.
• [34] Dipippo R.: Ideal thermal efficiency for geothermal binary plants, Geothermics 2007, vol. 36, p. 276-285.
• [35] Li K.W., Priddy A.P.: Power Plant System Design. John Wiley and Sons, New York 1985.
• [36] Ajimotokan H.A.: A study of Trilateral Flash Cycles for Low-Grade Waste Heat Recovery - To-Power Generation. Cranfield University, School of Engineering, Energy and Power Engineering Division, 2014.
• [37] Dutkowski K., Charun H., Piatkowski P., SZYBOWSKI P.: Flashing - the short review of a state of knowledge. Wyd. Uczelniane ZUT Szczecin, 2012, s. 333-340.
• [38] Dutkowski K.: Wymiana ciepła i opory przepływu czynników jedno- i dwufazowych w minikanałach. Wyd. Uczelniane Politechniki Koszalińskiej, Koszalin 2011.
• [39] Hahne E., Barthau G.: Evaporation waves In flashing processes. Int. Journal of Multiphase Flow 2000, vol. 26, p. 531-547.
• [40] Madejski J.: Odparowanie rozprężne w cienkich rurach. Transaction of the Institute of Fluid Flow Machinery 1996, vol. 100, s. 7-36.
• [41] Reinke P., Yadigaroglu G.: Explosive vaporization of superheat liquids by boiling fronts. Int. Journal of Multiphase Flow 2001, vol. 27, p. 1487-1516.
• [42] Lőffler M.: Kreisprozess mit Flashverdampfung im Arbeitsraum einer Kolbenmaschine. VGB Power- Tech. Int. J for Electricity Heat Generation 2007, vol. 7, p. 92-97.
• [43] Smith J.K.: Matching and work ratio in elementary thermal power plant theory. Part A. J. Power Energy 1992, vol. 206, p. 257-262.
• [44] Fischer J.: Comparison of trilateral cycles and organic Rankine cycles. Energy 2011, vol. 36, p. 6208-6219.
• [45] Smith J.K., Stosic N., Kovacevic A.: Screw expanders increase output and decrease the cost of geothermal binary power plant systems. Proc. of the Geothermal Resources Council Annual Meeting, Reno, Nevada (USA), 2005.
• [46] Traedel S.: Analysis of the Trilateral Flash Cycle for Power Production from Temperature Heat Sources. Master Thesis, 2014.
• [47] Ho T., Mao S.S., Greif R.: Comparison of the Organic Flash Cycle (OFC) to other advanced vapor cycles for intermediate and high temperature waste reclamation and solar thermal energy. Energy 2012, vol. 42, 213-223.
• [48] Wajs J., Mikielewicz D., Mikielewicz J.: Sprężarka chłodnicza jako maszyna ekspansyjna w obiegu ORC mikrosiłowni. Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna 2009, nr 3, s. 101-106.
• [49] Wajs J., Mikielewicz D., Mikielewicz J.: Turbinka pneumatyczna jako maszyna ekspansyjna w obiegu ORC, . Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna 2009, nr 9, s. 312-316.
• [50] Ryms M.: Konwersja średnio- i niskotemperaturowego ciepła odpadowego na energię cieplną w instalacjach przemysłowych. Rozprawa Doktorska. Politechnika Gdańska, Wydział Chemi, Gdańsk 2011.
• [51] Badyga K.: Biomasa jako paliwo w małych elektrociepłowniach. Czysta Energia 2008, nr 1, s. 26-29.
• [52] Bohdal T.: Bubble boiling in flow of refrigerating media. Journal Mechanical and Energy Engineering, vol. 1 no.1(41), 2017, pp. 57-64.
• [53] Bohdal T. Kruzel M., Sikora M.: Analisys of heat transfer coefficient during refrigerant condensation in vertical pipe minichannel. Journal Mechanical and Energy Engineering, vol. 1 no.1(41), 2017, pp. 65-70.
• [54] Sikora M.: Flow structures during refrigerants condensation. Journal Mechanical and Energy Engineering, vol. 1 no.1(41), 2017, pp. 101-106.
• [55] Laskowski R., Jaworski M.: Maximum entropy generation rate in a heat exchanger at constant inlet parameters. Journal Mechanical and Energy Engineering, vol. 1 no.1(41), 2017, pp. 79-86.
• [56] Zapalowicz Z.: Influence of irradiance and ambient temperature on roof coating temperature and heat flux transferred to interior of building. Journal Mechanical and Energy Engineering, vol. 1 no.1(41), 2017, pp. 107-112.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017)