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, tex 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 och 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 tempraturer 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 kondenseringstempraturern 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 tex -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 procent. 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 log p-h diagrammet nedan visas ORC cykeln. Värme tillförs mellan punkt 1-4. Mellan punkt 1-3 sker en förvärmning av arbetsmediet i vätskefas
.