Органический цикл Ренкина

Введение
Мировое потребление энергии достигло максимального уровня за всю историю человечества, высвобождая при этом большие количества углекислого газа в атмосферу. Текущие проблемы с изменением климата требуют радикальных изменений, уменьшающих выбросы парникового газа, которые, скорее всего, будут включать следующие модификации текущих энергетических систем [1]:
1) Снижение энергоемкости зданий и промышленности.
2) Отказ от ископаемого топлива в пользу электроэнергии, например, для транспортировки и обогрева помещений.
3) Производство чистой энергии за счет массового перехода к возобновляемым источникам энергии, включая энергию ветра, фотоэлектрическую систему, биомассу, геотермальную энергию и большую гидроэнергетику.
4) Усиление пропускной способности сети и межрегиональных линий электропередачи для поглощения ежедневных и сезонных колебаний.
Среди предлагаемых решений для достижения этих целей технология органического цикла Ренкина (ОЦР) может играть значительную роль, в частности, для целей 1 и 3:
- Это может оказать положительное влияние на энергоемкость промышленных процессов, в основном за счет рекуперации отработанного тепла (т. t. Тепла, которое в противном случае теряется).
- Он может оказывать положительное влияние на потребление в зданиях, например, с использованием когенерационных систем: поскольку ископаемое топливо способно генерировать высокие уровни температуры, исключающие преимущества этой высокой температуры для производства электроэнергии. Этот подход известен как объединение выработки тепла и электроэнергии с помощью предельных циклов.
- Его можно использовать для преобразования возобновляемых источников тепла в электричество. Это в основном включает геотермальные, биомассовые и солнечные источники.
- При переходе на электрические автомобили его можно использовать для увеличения КПД за счет рекуперации тепла выхлопных газов, выхлопных газов двигателя и охлаждающей жидкости двигателя.
Концептуально, органический цикл Ренкина аналогичен паровому циклу Ренкина [2], основанном на испарении жидкости под высоким давлением, которое, в свою очередь, расширяется до повышения давления, что позволяет высвободить механическую работу. Таким образом, в органический цикл Ренкина входят те же компоненты, что и в стандартной паровой силовой установке (котел, устройство производящее работы при расширении, конденсатор и насос). Однако рабочая жидкость представляет собой органическое соединение, которое характеризуется более низкой температурой кипения, чем температура воды, или понижением температуры выработки электроэнергии из-за низкого нагрева.
В новой структуре децентрализованного преобразования низкотемпературного тепла в электричество технология ОЦР предлагает интересную альтернативу, которая частично объясняется ее модульной особенностью: аналогичную систему ОЦР можно использовать с небольшими модификациями, не в сочетании со всеми источниками тепла [3]. Эти активы создают технологию ОЦР, более адаптированную, чем паровая энергия, для преобразования возобновляемых источников энергии, доступность которых, как правило, более локализована, чем ископаемое топливо, а температура (например, солнечный коллектор или геотермальная скважина) ниже, чем у традиционного топлива.
1. Технология органического цикла Ренкина и её применение
Схема органического цикла Ренкина более проста, чем цикл парового цикла: к котлу подсоединен барабан с водяным паром и паром, и один теплообменник может использоваться для выполнения трех фаз испарения: предварительного нагрева, испарения и перегрева [4]. Варианты архитектуры цикла являются более ограниченными: повторный нагрев и удаление воздуха из турбины, как правило, не подходят для ОЦР, но может быть установлен конденсатор в качестве предварительного подогревателя жидкости между выходом насоса и выходом расширителя, как показано на рис. 1. Это позволяет снизить количество тепла, необходимого для испарения жидкости в испарителе.

Рисунок 1 – Схема органического цикла Ренкина без рекуператора (слева) и с рекуператором (справа)

Биомасса широко доступна в ряде сельскохозяйственных или промышленных предприятий, таких как древесные и сельскохозяйственные отходы. Среди других средств, ее можно преобразовать в электричество путем сжигания или получить тепло, которое в свою очередь преобразуется в