Organic Rankine Cycle, ORC, uppfanns av skotten och professorn William Rankine under
mitten av 1800-talet. ORC-cykeln är en enkel termodynamisk cykel med ett organiskt
arbetsmedium, t.ex. R134a.
Entrans produkter FlexiGen och FlexiCool använder ORC-cykeln för återvinning av
spillvärme vid låg temperatur till el och mekanisk kraft. Entrans levererar FlexiGen i två
utföranden, Standalone och Integrated.
ORC cykeln
ORC cykeln fungerar på samma sätt som ett ”vanligt” kraftverk (Rankine cycle) med
ångpanna, turbin, kondensor och matarvattenpump. Den stora skillnaden mellan systemen
är arbetsmediet och att ORC-cykeln kan byggas mycket enklare, beroende på lägre
arbetstemperatur och att arbetsmediet inte är korrosivt. I ORC-kretsen kan en avancerad
panna bytas mot en enkel värmeväxlare. I figuren nedan visas ORC- cykelns princip vilket
också är Entrans FlexiGen - Standalone.
1. Spillvärme till förvärmning, från ca 30°C och uppåt
2. Förvärmning av arbetsmediet, värmekällor vid låg temperatur kan användas
3. Spillvärme till förvärmning och förångning, från ca 60°C och uppåt
4. Förångning av arbetsmediet vid högt tryck
5. Expansion av arbetsmediet i expander, (turbin) till mekanisk energi
6. Kondensering av arbetsmediet vid lågt tryck
7. Värmesänka, t.ex. sjövatten
8. Pump. Arbetsmediet pumpas från kondensorn till förångaren
Ett organiskt arbetsmedium har låg kokpunkt som gör det möjligt att utnyttja värme för
elproduktion vid låg temperatur. Under fasomvandling av vätska till gas kan stora mängder
värme tas upp av arbetsmediet. Vid förångning är trycket högt och ångvolym per upptagen
kJ värme liten, därför kan ORC-aggregatens storlek hållas nere.
Produktionsanläggningar som använder vatten som arbetsmedium vid låga temperaturer blir
stora, eftersom ångvolymen är stor och trycket lågt, några exempel är kondensorn till ett
kondenskraftverk eller absorptionskylmaskiner (Li-Br).
I diagrammet nedan visas volym- och tryckförhållande mellan R134a och vatten. Den blå
linjen visar förhållandet för mättnadstryck för R134a och vatten. Den röda linjen visar
volymförhållandet för vatten och R134a, volymen är m³/kJ, dvs. hur stor volym ånga som
förångas/kondenseras per kJ värmeförändring.
Elutbyte
Elutbytet i ORC cykeln beror främst på temperaturskillnaden mellan
kondenseringstemperatur och förångningstemperatur. Andra viktiga faktorer är vilket
arbetsmedium som används och hur expandern är konstruerad.
Vid liten temperaturskillnad blir elutbytet lågt, cirka 5-10 %. Bränslet är spillvärme och oftast
gratis. Grafen nedan visar elutbytet i förhållande till förångnings- och
kondenseringstemperatur. Om värmesänka och värmekälla är vätskor är
förångningstemperaturen ca 10-13°C lägre än värmekällan och kondenseringstemperaturen ca 7-12°C högre än värmesänkan.
Värmesänkan - viktigare än spillvärmetemperaturen
I ORC sammanhang är temperaturen på värmesänkan mycket viktig, ju lägre temperatur på
värmesänkan (kylvatten eller annat kylmedium) desto bättre. Om det finns tillgång till en
värmesänka på t.ex. - 60°C kan vatten vid 0°C och isbildningsvärme användas som
värmekälla. Värmesänkor som är kallare än omgivningen är en svårtillgänglig resurs som är
lika eller mer värdefull än spillvärmekällan
Förvärmning av arbetsmediet i ORC-cykeln
Av den tillförda energin till ORC-cykeln utgör förvärmning av arbetsmediet en stor del, ca
30-60 %. Arbetsmediet förvärms från kondenseringstemperatur till förångningstemperatur,
normalt från ca 20-30°C till ca 70-100°C beroende på aktuella förutsättningar. Till
förvärmning kan spillvärmekällor vid riktigt låga temperaturer användas, från ca 30°C och
uppåt. Det är därför viktigt att inventera alla spillvärmekällor
I diagrammet nedan visas ORC-cykeln. Värme tillförs mellan punkt 1-4. Mellan punkt 1-3
sker en förvärmning av arbetsmediet i vätskefas.
.
Air By Solar Sweden AB
Rösa Frälsegård 2
574 93 VETLANDA
Kontor Stockholm
Norr Mälarstrand 12
112 20 STOCKHOLM
Tel. 070 430 53 47 eller 0155 26 14 47
www.airbysolar.se
Ansvarig ORC
Conny Bergkvist
[email protected]
