Ciclul transcritic

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Un ciclu transcritic este un ciclu termodinamic închis în care fluidul de lucru trece atât prin faza lichidă , cât și prin cea supercritică și gazoasă. În special, pentru ciclurile de putere, fluidul de lucru este păstrat în condiții de lichid în compresie și vapori sau faza supercritică în timpul expansiunii. Ciclul ultra-supercritic este cea mai comună aplicație a ciclului de transcriere pentru aplicații la scară largă [1] , unde apa este utilizată ca fluid de lucru. Alte aplicații ale ciclurilor de putere transcripțională sunt reprezentate de ciclurile organice Rankine [2] , potrivite în special pentru surse de căldură cu entalpie scăzută, cum ar fi geotermală [3] , recuperare de căldură [4] sau biomasă și deșeuri în energie [5] .

Comparativ cu ciclurile lor subcritice respective, ciclurile transcritice pot exploata rapoarte de compresie mai mari și, prin urmare, eficiențe mai mari ale ciclului pentru majoritatea fluidelor de lucru și pentru joburile specifice majore [6] . Comparativ cu ciclurile supercritice, totuși, o ramură de presiune este sub presiunea critică (condensare), iar cealaltă este sub presiune mai mare decât cea critică.

În domeniul refrigerării, dioxidul de carbon este considerat un fluid foarte promițător datorită localizării punctului său critic [7] [8] [9] [10] .

Condiții transcritice ale fluidului de lucru

Diagrama de fază a unui fluid generic
Diagrama TQ a procesului de introducere a căldurii în ciclu dintr-o sursă fierbinte: încălzirea unui fluid în condiții subcritice (galbene) și transcritice (albastre)

În ciclurile transcritice, presiunea fluidului la ieșirea pompei este mai mare decât cea critică, în timp ce la intrarea pompei este aproape de punctul de lichid saturat.

În timpul încălzirii izobarice, fluidul depășește temperatura critică, trecând de la lichid la faza supercritică fără a trece printr-un proces de evaporare , o diferență semnificativă între ciclurile subcritice și cele transcrise [11] . În consecință, temperatura maximă realizabilă poate fi mai mare, iar procesul de introducere a căldurii în ciclu este mai eficient din punct de vedere exergetic [12] .

Caracteristicile ciclurilor de putere transcripționale

Diagrama Ts a unui ciclu de putere subcritic (galben), transcritic (albastru) sau supercritic (roșu) care lucrează cu același fluid
Scheme de implantare ale ciclului transcritic (stânga sus), ciclurilor supercritice (sus dreapta) și ciclului subcritic (jos)

Ca în orice ciclu de putere, eficiența termică este cel mai semnificativ parametru pentru a caracteriza procesul, calculat ca:

unde este este aportul termic, dat fie prin arderea unui combustibil, fie prin schimbul de căldură cu o sursă fierbinte, e este puterea produsă de ciclu.

Configurațiile tipice ale ciclurilor de transcriere utilizează un singur schimbător de căldură [13] [14] , datorită absenței proceselor de schimbare de fază. În ciclurile subcritice, pe de altă parte, există trei schimbătoare de căldură [15] : un economizor, un evaporator și un supraîncălzitor. Mai mult, dacă ciclurile Rankine sunt considerate cicluri de recuperare pentru un ciclu combinat , configurația încălzirii este pe mai multe niveluri, chiar mai complexă. [16] .

Aplicații în ciclurile de putere

Cicluri Rankine ultra-supercritice

Schema simplificată a unui ciclu ultra-supercritic al carbonului.

În ultimii ani, eficiența ciclului ciclurilor Rankine a crescut dramatic, în special în cazurile în care se utilizează combustibili fosili (cum ar fi cărbunele ): în acest caz, adoptarea ciclului Rankine ultra-supercritic a fost principalul factor în realizarea acestui lucru. în eficiență. Studiile privind configurațiile ciclurilor de transcriere de acest tip arată că este posibil să se obțină eficiențe de până la 50%, cu aproximativ 6% mai mari decât ciclurile subcritice corespunzătoare [17] .

În aplicații la scară largă pentru cicluri transcritice, schemele tipice ale plantelor implică 10 preîncălzitoare de apă de alimentare, cinci în conducta de joasă presiune și cinci în conducta de înaltă presiune și un degazor termic , pentru a ajuta la atingerea temperaturilor de admisie a apei de alimentare a cazanului în ordinea 300 ° C.

Ciclurile Rankine cu fluid organic

Vizualizarea unui micro ORC pentru microgenerare
Diagrama Ts a transcrierii și a ciclului subcritic folosind R134a ca fluid de lucru.

Ciclurile organice Rankine reprezintă cicluri de putere inovatoare care permit eficiență bună cu izvoarele termale cu entalpie scăzută [18] și asigură condensarea peste presiunea atmosferică, evitând degazatorii și secțiunile mari de trecere în condensatoare.

În plus, comparativ cu ciclurile de abur, ORC-urile permit o mai mare flexibilitate și scalabilitate, permițând compacitate semnificativă, utilă pentru microgenerare.

ORC utilizează fluide organice (cum ar fi hidrocarburi , fluorocarburi , clorofluorocarburi sau altele) ca fluide de lucru [19] . Cele mai multe dintre acestea au temperaturi critice de ordinul 100-200 ° C [20] , prin urmare adecvate ciclurilor transcritice cu temperaturi scăzute. [21] Datorită ciclurilor transcritice, raportul de compresie poate fi mai mult decât dublu, permițând creșterea semnificativă a diferenței de temperatură în turbină, crescând astfel activitatea specifică.

Aplicații în pompe de căldură

Diagrama Ts a unei pompe de căldură care funcționează cu un ciclu de transcriere
Diagrama Ts a unui ciclu de refrigerare utilizând un ciclu subcritic

Un ciclu de refrigerare , cunoscut și sub numele de pompă de căldură, este un ciclu termodinamic care permite căldura să fie îndepărtată dintr-o sursă rece și transferată într-o sursă fierbinte, prin consumul de putere mecanică [22] . Ciclurile tradiționale de refrigerare sunt subcritice, unde condensul (eliminarea căldurii) are loc la o presiune mai mică decât cea critică [23] .

Unele cicluri de refrigerare inovatoare sunt transcritice, în special folosind dioxidul de carbon ca fluid de lucru, care se poate găsi schimbând căldură între cele două surse la temperaturi peste și sub cea critică. Din acest motiv, dioxidul de carbon este considerat un fluid adecvat, temperatura sa critică fiind în jur de 31 ° C, o temperatură rezonabilă la jumătatea distanței dintre temperaturile necesare pentru refrigerare (10 ° C / 20 ° C) și eliminarea căldurii.

În ceea ce privește ciclurile de putere, în ciclurile de refrigerare transcritice, căldura este disipată de un singur schimbător de căldură, în loc să fie într-un condensator și un supraîncălzitor [24] , simplificând în mod semnificativ aspectul instalației.

Avantajele utilizării dioxidului de carbon față de agenții frigorifici tradiționali (cum ar fi hidrofluorocarburile ) în ciclurile de refrigerare sunt atât din punct de vedere economic, cât și din punct de vedere al mediului. Din punct de vedere economic, dioxidul de carbon este cu două ordine de mărime mai puțin costisitor decât fluidele frigorifice clasice, din punct de vedere al mediului, pe de altă parte, dioxidul de carbon nu are probleme de toxicitate sau inflamabilitate, are un GWP de 1 la ODP de 0.

Notă

  1. ^ Tominaga, Advances in Steam Turbines for Modern Power Plants , Elsevier, 2017, p. 41, ISBN 978-0-08-100314-5 .
  2. ^ Chao Yu, Jinliang Xu și Yasong Sun, presiune transcritică Organică Rankine Ciclul organic (ORC) bazată pe diferența de temperatură medie integrată în evaporatoare , în Ingineria Termică Aplicată , vol. 88, septembrie 2015, pp. 2-13, DOI : 10.1016 / j.applthermaleng.2014.11.031 .
  3. ^ N. Hassani Mokarram și AH Mosaffa, Investigația îmbunătățirii termoeconomice a integrării unei singure blițuri geotermale îmbunătățite cu ciclul Rankine organic transcritic , în Conversia și gestionarea energiei , vol. 213, iunie 2020, p. 112831, DOI : 10.1016 / j.enconman.2020.112831 .
  4. ^ Steven Lecompte, Erika Ntavou, Bertrand Tchanche, George Kosmadakis, Aditya Pillai, Dimitris Manolakos și Michel De Paepe, Review of Experimental Research on Supercritical and Transcritical Thermodynamic Cycles Designed for Heat Recovery Application , in Applied Sciences , vol. 9, nr. 12, 25 iunie 2019, p. 2571, DOI : 10.3390 / app9122571 .
  5. ^ Amirmohammad Behzadi, Ehsan Gholamian, Ehsan Houshfar și Ali Habibollahzade, Optimizare multi-obiectivă și analiză exergoeconomică a recuperării căldurii reziduale de la uzina de deșeuri în energie de la Teheran integrată cu o unitate ORC , în Energie , vol. 160, octombrie 2018, pp. 1055-1068, DOI : 10.1016 / j.energy.2018.07.074 .
  6. ^ Oyeniyi A. Oyewunmi, Simó Ferré-Serres, Steven Lecompte, Martijn van den Broek, Michel De Paepe și Christos N. Markides, An Assessment of Subcritical and Trans-critical Organic Rankine Cycles for Waste-heat Recovery , în Energy Procedia , vol. . 105, mai 2017, pp. 1870-1876, DOI : 10.1016 / j.egypro.2017.03.548 .
  7. ^ Baomin Dai, Shengchun Liu, Hailong Li, Zhili Sun, Mengjie Song, Qianru Yang și Yitai Ma, Performanța energetică a ciclurilor de refrigerare transcritice CO2 cu subrăcire mecanică folosind amestecul zeotrop ca agent frigorific , în Energie , vol. 150, mai 2018, pp. 205-221, DOI : 10.1016 / j.energy.2018.02.111 .
  8. ^ Aklilu Tesfamichael Baheta, Suhaimi Hassan, Allya Radzihan B. Reduan și Abraham D. Woldeyohannes, Performance Investigation of Transcritical Carbon Dioxide Refrigeration Cycle , în Procedia CIRP , vol. 26, 2015, pp. 482-485, DOI : 10.1016 / j.procir.2015.02.084 .
  9. ^ Gianluigi Lo Basso, Livio de Santoli, Romano Paiolo și Claudio Losi, Rolul potențial al pompelor de căldură CO2 trans-critice într-un sistem solar de răcire pentru servicii de construcții: analiza energiei sistemului hibridizat printr-un model de simulare dinamică , în Energie regenerabilă , vol. . 164, februarie 2021, pp. 472-490, DOI : 10.1016 / j.renene.2020.09.098 .
  10. ^ Brian T. Austin și K. Sumathy, Transcritical dioxid de carbon sisteme de pompă de căldură: O revizuire , în Renewable and Sustainable Energy Reviews , vol. 15, nr. 8, octombrie 2011, pp. 4013-4029, DOI : 10.1016 / j.rser.2011.07.021 .
  11. ^ Y. Chen și P. Lundqvist, Ciclul de putere transcritică CO2 pentru recuperarea căldurii de grad scăzut: discuții despre profilurile de temperatură în schimbătoarele de căldură de sistem , în Conferința de putere ASME 2011, volumul 1 , 1 ianuarie 2011, pp. 385-392, DOI : 10.1115 / POWER2011-55075 .
  12. ^ Ennio Macchi, sisteme de alimentare ale ciclului organic Rankine (ORC). , Kent, Marea Britanie, Elsevier Science, 2016, p. 73, ISBN 978-0-08-100510-1 .
  13. ^ Pan Lisheng, Li Bing, Yao Yuan, Shi Weixiu și Wei Xiaolin, Investigație teoretică asupra unui nou ciclu de energie transcritică CO2 folosind energia solară , în Energy Procedia , vol. 158, februarie 2019, pp. 5130-5137, DOI : 10.1016 / j.egypro.2019.01.686 .
  14. ^ Henry A. Long, Ting Wang și Arian Thomas, Evaluarea utilizării ciclurilor Rankine supercritice în ciclurile combinate integrate de gazificare a cărbunelui (IGCC) , în volumul 3: cărbune, biomasă și combustibili alternativi; Inovații de ciclu; Energie electrică; Aplicații industriale și de cogenerare; Organic Rankine Cycle Power Systems , 26 iunie 2017, pp. V003T03A015, DOI : 10.1115 / GT2017-65246 .
  15. ^ Thamir k. Ibrahim, Mohammed Kamil Mohammed, Omar I. Awad, MM Rahman, G. Najafi, Firdaus Basrawi, Ahmed N. Abd Alla și Rizalman Mamat, Performanța optimă a centralei cu ciclu combinat: o revizuire cuprinzătoare , în revizuirea energiei regenerabile și durabile , vol. 79, noiembrie 2017, pp. 459-474, DOI : 10.1016 / j.rser.2017.05.060 .
  16. ^ Mohammad Tajik Mansouri, Pouria Ahmadi, Abdolsaeid Ganjeh Kaviri și Mohammad Nazri Mohd Jaafar, Evaluarea exergetică și economică a efectului configurațiilor HRSG asupra performanței centralelor electrice cu ciclu combinat , în Conversia și gestionarea energiei , vol. 58, iunie 2012, pp. 47-58, DOI : 10.1016 / j.enconman.2011.12.020 .
  17. ^ Martín Salazar-Pereyra, Raúl Lugo-Leyte, Angélica Elizabeth Bonilla-Blancas și Helen Denise Lugo-Méndez, Analiza termodinamică a ciclurilor Rankine supercritice și subcritice , în volumul 8: Microturbine, turbocompresoare și turbomachine mici; Turbine cu aburi , 13 iunie 2016, pp. V008T26A041, DOI : 10.1115 / GT2016-57814 .
  18. ^ Kriti Yadav și Anirbid Sircar, Selecția fluidului de lucru pentru sursă de căldură cu entalpie scăzută Ciclul Rankinei organice în Dholera, Gujarat, India , în Studii de caz în inginerie termică , vol. 16, decembrie 2019, p. 100553, DOI : 10.1016 / j.csite.2019.100553 .
  19. ^ Dong Luo, Ahmad Mahmoud și Frederick Cogswell, Evaluarea fluidelor cu conținut scăzut de GWP pentru generarea de energie cu ciclul Rankinei organice , în Energie , vol. 85, iunie 2015, pp. 481-488, DOI : 10.1016 / j.energy.2015.03.109 .
  20. ^ Sylvain Quoilin, Martijn Van Den Broek, Sébastien Declaye, Pierre Dewallef și Vincent Lemort, Studiu tehnico-economic al sistemelor Ciclului Organic Rankin (ORC) , în Revizuiri de energie regenerabile și durabile , vol. 22, iunie 2013, pp. 168-186, DOI : 10.1016 / j.rser.2013.01.028 .
  21. ^ Paola Bombarda, Comparația ciclurilor de Rankine organice îmbunătățite pentru unitățile de energie geotermală ( PDF ), [Melbourne].
  22. ^ Shui Yu, Introducerea sistemului de pompare a căldurii cu sursă de apă , în Manualul sistemelor de energie din clădirile verzi , 2018, pp. 1-48, DOI : 10.1007 / 978-3-662-49088-4_4-1 .
  23. ^ Hongzhi Yan, Di Wu, Junyu Liang, Bin Hu și RZ Wang, Selecție și validare pe agenți frigorifici cu conținut scăzut de GWP pentru o pompă de căldură cu sursă de apă , în Ingineria termică aplicată , vol. 193, iulie 2021, p. 116938, DOI : 10.1016 / j.applthermaleng.2021.116938 .
  24. ^ Jahar Sarkar, Review on Cycle Modifications of Transcritical CO2 Refrigeration CO2 and Heat Pump Systems , in Journal of Advanced Research in Mechanical Engineering , vol. 1, nr. 1, 2010, pp. 22-29.
Termodinamica Portalul Termodinamicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de termodinamică
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Ciclo_transcritico&oldid=122570225 ”