1 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 cunoscut i larg rspndit de producere a energiei, mai ales n biomasiaplicaiigeotermale,darcretesuccesivnaplicaiiderecuperareaclduriisolare. Preocupareademediupesteschimbrileclimaticeicretereapreuluipetroluluisuntmotiveputernice caresusincretereaexplozivaacestuimodeficient,curatidencredereaproduceriideenergie electric.Primulcapitolallucrriifaceointroducerencareesteprezentatinventatorulcicluluicareipoarti numele, fiind un pion principal n dezvoltarea tiinei termodinamice. A redactat manuale de inginerie si practica, sute de lucrri i note pe teme de tiin i inginerie a publicat. n continuare este descris Cicul Rankine,beneficiiledatoritutilizriiapei,modificrilesuccesivealesubstaneidelucru,ncheind capitolul cu cele patru procese ale ciclului. Capitolul doi incepe cu descrierea ciclului al crui nume este si tema acestei sinteze de literatura, Ciclul Rankine Organic. Acest ciclu foloseste acelai principiu cu cel prezentatnprimulcapitol,diferendintreceledousistemefiidfluiduldelucru,folosindfluide organice.Datoritnumeroaselormodificrisuportatealecicluluidebazfolositenaplicaiipentru mbuntireasistemului,CiclulRankineOrganicesteconsideratotehnologieavansat.Domeniilede utilizare fiind promotoare: deeuri de cldur de recuperare, biomas central electric, instalaii geotermaleisolaretermice.Estedescrisprincipiuldefuncionarealsistemului,selecia fluidului de lucru, fluidele utilizate mai frecvent, avantajele i dezavantajele ciclului. Cuvinte cheie: biomas, Ciclul Rankine Organic, fluide organice, geotermale, termodinamic. 2 1.Introducere Ciclul Rankine este numit dup William John Macquorn Rankine (5 iulie 1820- 24 decembrie 1872),uninginerifizicianscoian.Elafostunfactorcarecontribuielafondatoriitiinei termodinamicii.Rankine,careadezvoltatoteoriecompletamotoruluicuaburintr-adevr, detoatemotoareletermice.Manualeleluideinginerieipracticaufostfolositepentrumulte decenii de la publicarea lor n anii 1850 i 1860.A publicat mai multe sute de lucrri i note pe temedintiiniinginerie,ncepnddin1840,iaintereselorsalecareaufostextremde variate,inclusiv,ntinereeasa,botanica,teoriamuziciiiteorianumerelor,icelemaimulte ramuri majore ale tiinei, matematic i inginerie.A fost un cntre amator entuziast, pianist i violoncelist.1.1 Ciclul Rankine CiclulRankine,esteunciclutermodinamiccaretransformclduranlucru.Cldureste furnizatexternlaobuclnchis,carefolosete,deobicei,cafluiddelucruap.Principalele beneficiilautilizareadeapsunt,capaestefoartestabidinpunctdevederechimici,prin urmare, nu exist aproape nici cerine speciale pentru materiale de construcii care pot fi folosite. nplus,apaareovscozitatefoartesczut,astfelnctenergianecesarpentrutransportarea prindiferitelecomponente,cumarfischimbatoaredecaldursievi,estelimitat.Cldura specific a apei este relativ ridicat, acest lucru l face un mediu bun pentru transportul energiei.Apa este, de asemenea, non-toxic si este disponibil la nivel mondial n cantiti mari.(Whalley P, 1992)Este mai puin costisitoare decat oricealte lichide. CiclulRankinepebazdeapfurnizeazaproximativ85%dinproduciadeenergie electric la nivel mondial.Apa are, de asemenea, mai multe dezavantaje. Pentru a realiza ciclul de cea mai mare eficien i deacreteproduciadeenergieelectric,aburulesteextinslaotemperaturapropiatde temperatura ambiant.(Haywood R, 1980) La aceast temperatur sczut presiuneavaporilor, i, prin urmare, de asemenea, densitatea, este foarte sczut. Acest lucru duce la volume mari de aburlaieireadinturbin.nconsecin,turbinelemariicondensatoarelesuntnecesare.Mai mult,cdereadepresiuneinturbinacuaburestefoartemare.Pentruaextindeaburdela30la 3 0,1 bari o turbin multistadial este necesar din cauza raportului de presiune limitat de o singur etap. Acest lucru face turbina cu abur relativ complex i costisitoare. n ciclul Rankine, substana de lucru a motorului sufer patru modificri succesive:(1) nclzire la volum constant (ca ntr-un cazan),(2) evaporare i supranclzirea (dac exist) la presiune constant, (3) extindere isentropic n motor, (4) condensare la presiune constant, cu ntoarcere de lichid la cazan. Fig.1 Aspectul fizic de patru dispozitive principale utilizate n ciclu Rankine 1.2 Procesele Ciclului RankineExist patru procese n ciclul Rankine: - Procesul de 1-2: Lichidul de lucru este pompat de la mic la mare presiune, ca fluid este un lichid, n acest stadiu pompa de energie necesit o contribuie mic.- Procesulde2-3:lichiddenaltpresiuneintrntr-uncazanundeestenclzitla presiuneconstantdelaosursdecldurexternpentruadevenisaturatdevapori uscai. 4 - Procesulde3-4:saturatdevaporiuscai,seextindeprintr-oturbin,generatoarede putere.Aceasta scade temperatura i presiunea de vapori,pot aprea condensri.- Procesul de 4-1: vaporii umezi intr apoi n condensator, n cazul n care este condensai la o presiune constanta pentru a deveni un lichid saturat.Ecuaii ( ) 12 3h hmQin =-- ( )( ) 21 2 111 2pump pumpp pumpp p vvh hmWq q~A~ =- ( ) 31 4h hmQout =-- ( ) ( ) 44 314 3 turb spumppturbineh hvh hmWqq =A~ =- ( ) 5QWQW Wtuinpump turbinetherm~=-q -Qdebitul de cldur de la sistem (de energie pe unitatea de timp) -mmasa debitului (masa pe unitatea de timp) -W puterea mecanc consumat 5 thermq eficienta termodinamica a procesului 3 2 1, , h h hentalpiile specifice - punctele indicate pe diagrama Ts 2 1, p p Presiuni nainte i dup procesul de comprimare Fiecaredinprimelepatruecuaiisuntuorderivatedinenergieiechilibrareamasei pentruunvolumdecontrol.Ecuaiaacinceadefineteeficientatermodinamicaaciclului,ca raportul de putere net de cldur de intrare. Exist,deasemenea,variaiialecicluluidebazRankine,caresuntconceputepentruaridica eficiena termic a ciclului, n acest mod, dou dintre acestea sunt descrise mai jos: -ciclu Rankine cu renclzire; -ciclu Rankine cu regenerare. Ciclu Rankine cu renclzire ntr-un ciclu Rankine real, pompa decompresiei de expansiune nturbina nu este isentropic.Cu alte cuvinte, aceste procese sunt non-reversibile i entropia este crescut n cele dou procese.Acestlucrucreteoarecumputeriicerutedepompiscadeputereageneratadeturbin. Eficiena turbinei cu abur va fi limitat prin formarea picturilor de ap. Aa cum se condenseaz apa,picaturiledeaplovesclameleleturbinei,lavitezmarecauzndpittingieroziune, reducnd treptat durata de via a paletelor turbinei i eficiena turbinei. Cel mai simplu mod de a depi aceast problem estesupranclzirea aburilor. Pe diagrama Ts din Fig.2, 3 este regiunea dinfazaadouadeaburiap,astfelnctdupextindereaburulvafifoarteumed. Supraincalzirea,3,sevamutaladreaptadediagramiproduce,prinurmare,obaiedeaburi uscai de dup extindere. 6 Fig.2 Ciclu Rankine cu renclzire - diagrama Ts Ciclu Rankine cu regenerare Ciclu Rankine cu regenerare este numit astfel pentru c, dup generarea din condensatorfluidul de lucru este nclzit cuabur exploatat din partea fierbinte a ciclului.Pe diagrama reprezentat nFig.3,lichiduldela2esteamestecatculichidla4(ambelelaaceeaipresiune),pentrua terminaculichidsaturatla7.CicluRankinecuregenerareestefrecventutilizatncentralele electrice reale. Fig.3 Ciclu Rankine cu regenerare - diagrama Ts 7 Cnd apa este nlocuit cu un lichid organic, atunci ciclul se numeste Ciclul Rankine Organic. 2.Ciclul Rankine Organic Ciclul Organic Rankineeste un proces termodinamic n care cldura este transferat la un lichid laopresiuneconstant.Fluidulestevaporizatiapoiextinsintr-oturbinadevapori,care conduceungenerator,producundasfelenergieelectric.Vaporiiconsumaisuntcondensaii reciclainapoinlichid.Acestprocessutilizeazunfluidorganiccuunpunctdefierberemai micdectapa.(FankamB,2009)Fluidulpermiterecuperareaclduriidinsursedetemperatur mai sczut, cum ar fi deeurile industriale i de cldur geotermal. CiclulOrganicRankineesteunsistemdeputerecefoloseteacelaiprincipiucaun sistem de abur ciclu Rankine. Diferena dintre aceste dou sisteme este fluidul de lucru care este utilizatnfiecare.CiclulOrganicRankineestefolositngeneralpentruosursdecldurde temperatursczut,utilizeazfluideorganice.Seleciafluiduluidelucrudepindede proprietatile sursei de cldur, fluidul de lucru avand proprieti termodinamice, i condiiile de operare.proprietioptimeafluiduluidelucrucareurmeazsfieluatenconsiderareinclud adecvatecurbetermodinamicedeproprietate,punctuldenghesczut,temperaturastabilitat ridicat, costuri reduse, presiunea de lucru corespunztoare, cldura latent i de nalt densitate, sensibilitatea de mediu.Ovarietatedemodificrialecicluluidebazaufostfolositenaplicaiipracticede mbuntire a performanei sistemului. n comparaie cu ciclul de abur Rankine, Ciclul Organic Rankine, fratele su,este considerat, n general, o tehnologie avansat. Asfel de sisteme au fost instalatepestetotnlumeiaplicatelaovarietatedesursedecldur,cumarfienergia geotermal,energiaapeidinfntnistripteuz,energiasolar,biomasienergie.Ciclurile Organice Rankine sunt, de obicei, n scar industrial. (Hung T, 2001) 2.1 Domeniul de utilizare al Ciclulului Rankine Organic Opartesubstanialaenergieiprodusenindustrieestepierdutntimp,pierderimecanice (frecare)ipierderiletermice(pierderiledecldur).Pierderiledecldurpotfigsiten uscatoare,incineratoare,gazedeeapament,etc.Cndclduradatoritdeeurilorfifolositcao surs de energie termic util n procesul de producie, de obicei, va fi posibil pentru a recupera 8 omulimedeenergiecuounitatetipCicluRankineOrganic,astfelnctpierderilepotfi minimizate.n acest fel, cldura rezidual poate fi transformat ntr-o cantitate limitat de energie mecanic, carepoatefifolositpentrugenerareadeelectricitatesaucaoputeredeconducerepentru anumite echipamente. (Holdmann G, 2007) Tehnologia Ciclulului Rankine Organic are multe aplicaii posibile.Printre ei, pe scar larg i domeniile cele mai promitoare sunt urmtoarele: -deeuri de cldur de recuperare, -biomas central electric, -instalaii geotermale, -solare termice. Deeuri derecuperare a cldurii Deeurilecu recuperarede cldur estecel mai important domeniu de dezvoltare pentru CiclulRankineOrganic.Poatefiaplicatlaclduricentralelorelectrice,cogenerare,sau pentruutilizatoriiindustrialiiproceseloragricole,cumarfiprodusedefermentaieecologice, epuizeaz cldura de la cuptoare, condensarea gazelor de ardere. Biomas central electric Biomasaestedisponibilpestetotnlumeipoatefiutilizatapentruproducereade energie electric pentru centralele electrice mijlocii scalate.Problem fiind costurile ridicate de investiiispecificepentrumainicumarficazaneledeaburcesuntdepitedincauza presiunilor reduse de lucru n centralele electrice.Ciclul Rankine Organic, de asemenea, ajut la depirea sumei relativ mici de combustibil de intrare, disponibile n multe regiuni. Instalaii geotermale Sursadecldurgeotermicvariazdelatemperaturade50-350C.CiclulRankine Organic,prinurmare,esteperfectadaptatpentruacesttipdeaplicaie.Cutoateacestea,este 9 importantsseincontdefaptulcpentrusurseledejoastemperatur,eficientaestefoarte sczut i depinde puternic de temperatura radiatorului. Solare termice Ciclul Rankine Organic poate fi folosit n solar parabolic, tehnologic, n loc de abur,cazulcicluluiRankineobinuit.CiclulRankineOrganicpermiteotemperaturmaimiccolector,o colectaremaibunaeficienta(reduspierderilenconjurtor)i,prinurmare,posibilitateadea reduce dimensiunea cmpului solar. (Cohen G, 2004) 2.2 Principiul de funcionare al Ciclului Rankine OrganicPrincipiuldefuncionarealCicluluiRankineOrganicesteacelaicucelalcicluluiRankine: fluidul de lucru este pompat ntr-un cazan unde este evaporat, trece printr-o turbin i este n cele din urm re-condensat. (Yamamoto T, 2001) Fig.4Diagrama Ts pentru Ciclul Rankine Organicideal / real. nciclulideal,extindereaesteisentropiciarproceseledeevaporaresicondensaresunt izobarice. 10 n ciclul real, prezena ireversibilitii reduce ciclul de eficien. Aceste ireversibiliti, n principal, s apar:- ntimpuldeexpansiune:doaroparteaenergieirecuperabiledindiferenadepresiune estetransformatnlucruutil.Dealtparteesteconvertitncldurisepierde. Eficienaeste definit prin comparaie cu o expansiune isentropic.- nschimbtoareledecldur:fluiduldelucruareundrumlungisinuos,careasigur schimbuldecldurbun,darcauzele,picturidepresiunecarereduccantitateade energie recuperabil din ciclul. (Gaia M, 2006) 2.3 Alegerea fluidului de lucru Seleciafluiduluidelucruestedeoimportancheie.Dincauzatemperaturiisczute, ineficieneledetransferdecldursuntfoarteduntoare.Acesteineficienedepindfoarte puternic de caracteristicile termodinamice ale fluidului i de condiiile de funcionare. n scopul de a recupera caldura de calitate inferioar, lichidul are n general o temperatura mai mic dect apa de fierbere. Frigorificii i hidrocarburile sunt dou componente utilizate n mod obinuit. (Drescher U. and Bruggemann D, 2007) Cele mai multe fluide organice sunt aa-numitele fluide uscate. Aceste fluide uscate au avantajul c rmn supranclzite dup extindere, astfel condensarea fluidului din turbina pote fi evitat. Unele fluide utilizate frecvent sunt: -pentan,-propan,-toluen,-amoniac, -unii ageni de rcire. 2.4 Avantaje ale Ciclului Rankine Organic Principaladiferendintrefluideleorganiceiapesteenergialaevaporare.Evaporareade lichideorganice,deobicei,areloclatemperaturmaijoasipresiune.Caracteristicile termodinamiceichimicealeacestorfluidenumainecesitsupranclzire.Pierderileprin 11 scdereatemperaturiimaipotfifolositecaosursdecldurlainstalareaCicluluiRankine Organic. Acest lucru face ca Ciclul Rankine Organic sa fie extrem de potrivit pentru recuperarea cldurii reziduale din industrie. Fig.5 Conceptul de Ciclu Rankine Organic Prinselectareaunuifluiddelucrucuodensitaterelativmarelatemperaturadecondensare, utilizarea turbinelor cu condensare mare poate fi evitat. Diferena de temperatur mai mic ntre evaporaresicondensare,nseamnocderedepresiune.(CuevasC,andI.V.Teodorese,2007) Raportulvafimultmai mic,deiacestlucrudepindedefluidulutilizat.nacestcaz,utilizarea turbinelormultietajatenumaiestenecesar.Maimult,duratadeviaaturbineiestemultmai lung,deoarecenusemaiformeazapicaturidelichidntimpulexpansiunii,astfelnusevor produce eroziuni alepaletelor turbine. Ciclul Rankine Organic pote fi, de asemenea, uor de utilizat ca o unitate de cogenerare, prin selectareauneitemperaturimaimaredecondensare.Cldurdincondensatorpoatefiutilizat pentruaproduceapcald,cepoatefifolositpentrunclzirencldiri.Nuexistniciun tratament suplimentar pentru degazareafluidului de lucru necesar, ca n cazul de ap / abur.De asemenea, nu este necesar splarea nmolului format n vaporizator. 12 2.5 Dezavantajele Ciclului Rankine Organic Avnd n vedere c temperatura de dup extindere n turbin (4-5 din Fig.4) rmne pentru cele maimultefluidealeCicluluiRankineOrganicmaimaredecttemperaturadecondensare, aceastcldursuplimentartrebuieextrasncondensator.Totui,aceastaestendetrimentul eficienei termice. Fig.6 Amplasarea regeneratorului n Ciclul Rankine Organic Aceast pierdere poate fi minimalizat prin integrarea unui schimbtor de cldur suplimentar n instalaiaCicluluiRankineOrganic.Aceastcldurrecuperat(5-6)esteapoiutilizatla prenclzirea fluidului care este pompat la cazan pentru evaporare n continuare. Acestschimbtordecldursuplimentarestedeobiceinumitrecuperatorulsauregenerator Fig.4.EficienauneiunitiaCicluluiRankineOrganicvariazdela10la20%,nfunciede nivelurile de temperatur i utilizarea unui regenerator. Procesuldeselecieaunuifluiddelucruadecvatnuesteasadeusor.Pentruceamai mareparteafluidelororganicetabeleledevaporiicurbedesaturaiesuntnecunoscute.Fr cunoatereapresiunilordesaturaieitemperaturilor,nuesteposibilsseevaluezecaracterul adecvat al unui fluid n orice aplicaie dat. Fiecare fluid organic dispune de proprieti specifice 13 proprii.Prinurmare,nuoricelichidpoatefiutilizatntr-oanumitaplicaie.nfunciedetip, sursadecldur,niveluldetemperatur,cuoevaporarecorespunztoareilatemperaturide condensare trebuie s fie ales fluidul de lucru adecvat. (Nowak W, 2007) FiecareCicluRankineOrganicesteconstruitpentruunfluiddelucrudat,decinueste ntotdeauna optim o unitate disponibil pe pia pentru fiecare tip de sursa de caldur.n general, constructorii ofer doar un standard de cateva uniti cu propriile lor lichide organice. nacestfel,energiadelasursadecaldurnuestentotdeaunarecuperatoptim.Uniifurnizori dezvolt,deasemenea,clientuluiunitatialeCicluluiRankineOrganiceadaptate,dardeobicei aceste uniti sunt foarte scumpe. Cu toate acestea, tehnologia este nc n dezvoltare i, n multe cazuri, nc nu este optimizat. De asemenea, urmtoarele aspecte ale fluidului de lucru ar trebui s fie luate n considerare: -toxicitate,-de siguran, -explozivitate, -inflamabilitatea,-probleme de mediu. n consecin, toate msurile de siguran i legislaie necesit a fi consultate. Concluzii CiclurileRankineOrganicesuntomodificarebinecunoscutaCicluluiClausius Rankine;utilizarea fluidelor organice ofer diverse avantaje; tehnologia Ciclu Rankine Organic pentru producia de energie electric din biomas i de cldur geotermal este de ultim or; Ciclurile Rankine Organice sunt de asemenea potrivite pentru recuperarea deeurilor de cldur i a producerii energiei din cldur solar, aceste aplicaii sunt supuse unor cercetri suplimentare; eficienta termic a acestui sistem a fost mbuntit considerabil; eficiena global a instalaiilor de cogenerare; 14 Sistemele de cogenerare bazate pe Ciclul Rankine Organic au o bun fezabilitate pentru ntreg spaiul European. 15 Bibliografie CableR,BrosseauD,PriceH.2004.Parabolictroughorganicrankinecyclesolarpowerplant, NREL/CP-550-37077, In: The 2004 DOE Solar Energy Technologies, Denver, USA CuevasC,LebrunJ,andTeodoreseI.V.2007.Contributionl'tudedescyclesdeRankinede rcupration de chaleur, VIIIme Colloque Interuniversitaire Franco-Qubcois sur la Thermique des Systmes, Montral, Canada, ART-05-03 Drescher U and Bruggemann D. 2007. Fluid selection for the Organic Rankine Cycle (ORC) in biomass power and heat plants FankamB.T.,PapadakisG,LambrinosG,FrangoudakisA.2009.Fluidselectionforalow-temperature GaiaM.2006.TurbodenORCSystemsElectricityGenerationfromEnhancedGeothermal Systems, Strasbourg Haywood R.W. 1980. Analysis of Engineering Cycles. Pergamon Press. ISBN: 0-08-025440-3 HoldmannG.(ChenaPower),ORCTechnologyforWasteHeatApplications,Presentedatthe Diesel Heat Recovery and Efficiency Workshop, December 2007 HungT.2001.WasteheatrecoveryoforganicRankinecycleusingdryfluids.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: 0-19-856255-1 Yamamoto T, Furuhata T, Arai N and Mori K. 2001. Design and testing of the Organic Rankine Cycle Energy 26: 239-251 16