دورة رانكين العضوية

في الهندسة الحرارية ، دورة رانكين العضوية ( ORC ) هي نوع من الدورة الديناميكية الحرارية . وهي عبارة عن شكل من أشكال دورة رانكين سميت بهذا الاسم لاستخدامها سائلًا عضويًا ذا كتلة جزيئية عالية (مقارنة بالماء) تكون درجة تبخره أقل من درجة تبخر الماء . يسمح السائل باستعادة الحرارة من مصادر ذات درجات حرارة أقل مثل احتراق الكتلة الحيوية والحرارة الصناعية المهدرة والحرارة الجوفية والبرك الشمسية وما إلى ذلك. يتم تحويل الحرارة المنخفضة إلى عمل مفيد ، والذي يمكن تحويله إلى كهرباء .

تم تطوير هذه التكنولوجيا في أواخر الخمسينيات من القرن العشرين بواسطة لوسيان برونيكي وهاري تسفي تابور . ^[1]^[2]

كانت محركات النافثا ، والتي تشبه من حيث المبدأ محركات ORC ولكنها طورت لتطبيقات أخرى، قيد الاستخدام منذ وقت مبكر من تسعينيات القرن التاسع عشر.

مبدأ عمل ORC

مبدأ عمل دورة رانكين العضوية هو نفس مبدأ دورة رانكين : يتم ضخ السائل العامل إلى غلاية حيث يتم تبخيره، ويمر عبر جهاز تمدد (توربين، ^[3] لولبي، ^[4] لولبي، ^[5] أو موسع آخر)، ثم عبر مبادل حراري مكثف حيث يتم تكثيفه أخيرًا.

في الدورة المثالية التي يصفها النموذج النظري للمحرك، يكون التوسع متساوي الإنتروبيا وتكون عمليات التبخر والتكثيف متساوية الضغط .

في أي دورة حقيقية، يؤدي وجود حالات عدم الانعكاس إلى خفض كفاءة الدورة . تحدث حالات عدم الانعكاس بشكل رئيسي: ^[6]

أثناء التمدد: يتم تحويل جزء فقط من الطاقة التي يمكن استردادها من فرق الضغط إلى عمل مفيد. ويتم تحويل الجزء الآخر إلى حرارة ويضيع. يتم تحديد كفاءة المتمدد بالمقارنة مع التمدد الأيزنتروبي.
في المبادلات الحرارية: يسلك السائل العامل مسارًا طويلًا ومتعرجًا يضمن تبادلًا جيدًا للحرارة ولكنه يتسبب في انخفاض الضغط مما يقلل من كمية الطاقة التي يمكن استردادها من الدورة. وبالمثل، فإن الفارق في درجة الحرارة بين مصدر الحرارة/المصرف والسائل العامل يولد تدميرًا للطاقة ويقلل من أداء الدورة.

طلبات الحصول على ORC

تتمتع تقنية دورة رانكين العضوية بالعديد من التطبيقات الممكنة، وتبلغ قدرتها المركبة أكثر من 2.7 جيجاوات و698 محطة طاقة معروفة في جميع أنحاء العالم. ^[7] ومن بين هذه المجالات، المجالات الأكثر انتشارًا وواعدة هي التالية: ^[8]

استعادة الحرارة المهدرة

يعد استرداد الحرارة المهدرة أحد أهم مجالات التطوير لدورة رانكين العضوية (ORC). ويمكن تطبيقه على محطات الحرارة والطاقة (على سبيل المثال محطة توليد الطاقة المشتركة الصغيرة الحجم على سخان مياه منزلي)، أو على العمليات الصناعية والزراعية مثل تخمير المنتجات العضوية، والعوادم الساخنة من الأفران أو الأفران (مثل أفران الجير والأسمنت)، وتكثيف غازات المداخن ، وغازات العادم من المركبات، والتبريد الداخلي للضاغط، ومكثف دورة الطاقة، وما إلى ذلك.

محطة الطاقة بالكتلة الحيوية

تتوفر الكتلة الحيوية في جميع أنحاء العالم ويمكن استخدامها لإنتاج الكهرباء في محطات الطاقة الصغيرة والمتوسطة الحجم . يتم التغلب على مشكلة تكاليف الاستثمار المحددة المرتفعة للآلات، مثل الغلايات البخارية، بسبب انخفاض ضغوط العمل في محطات الطاقة ORC. ميزة أخرى هي العمر التشغيلي الطويل للآلة بسبب خصائص السائل العامل، والذي على عكس البخار غير قابل للتآكل وغير قابل للتآكل لأنابيب مقاعد الصمامات وشفرات التوربينات. تساعد عملية ORC أيضًا في التغلب على الكمية الصغيرة نسبيًا من وقود الإدخال المتاح في العديد من المناطق لأن محطة طاقة ORC فعالة ممكنة للمصانع ذات الحجم الأصغر.

محطات الطاقة الحرارية الأرضية

تتراوح درجات حرارة مصادر الحرارة الجوفية من 50 إلى 350 درجة مئوية. وبالتالي فإن ORC مناسب تمامًا لهذا النوع من التطبيقات. ومع ذلك، من المهم أن نضع في الاعتبار أنه بالنسبة لمصادر الحرارة الجوفية ذات درجات الحرارة المنخفضة (عادةً أقل من 100 درجة مئوية)، تكون الكفاءة منخفضة للغاية وتعتمد بشدة على درجة حرارة المشتت الحراري (التي يتم تحديدها من خلال درجة الحرارة المحيطة).

الطاقة الحرارية الشمسية

يمكن استخدام دورة رانكين العضوية في تقنية الحوض الشمسي المكافئ بدلاً من دورة رانكين البخارية المعتادة. تسمح دورة ORC بتوليد الكهرباء بسعات أقل ودرجة حرارة مجمع أقل، وبالتالي إمكانية إنشاء وحدات CSP منخفضة التكلفة وصغيرة الحجم ولامركزية . ^[9]^[10] كما تمكن دورة ORC أنظمة CSP-PV الهجينة المجهزة بتخزين الطاقة الحرارية من توفير استرداد عند الطلب لما يصل إلى 70٪ من توليد الكهرباء اللحظي، ويمكن أن تكون بديلاً فعالاً إلى حد ما لأنواع أخرى من التخزين الكهربائي. ^[11]^[12]

طاقة الرياح الحرارية

في الآونة الأخيرة، تمت مناقشة ما يسمى بتوربينات الطاقة الحرارية الهوائية التي يمكنها تحويل طاقة الرياح مباشرة إلى حرارة متوسطة الحرارة (تصل إلى 600 درجة مئوية). ^[13] ويمكن دمجها مع تخزين حراري ويمكن مطابقتها بشكل مناسب مع ORC لتوليد الكهرباء.

ومع ذلك، وبسبب كفاءة كارنو للتوربين، قد يكون من الأكثر كفاءة استخدام الطاقة الحرارية كحرارة في حد ذاتها بدلاً من توليد الكهرباء.

اختيار سائل العمل

يعد اختيار السائل العامل ذا أهمية أساسية في دورات رانكين ذات درجات الحرارة المنخفضة. وبسبب درجات الحرارة المنخفضة، تكون عدم كفاءة نقل الحرارة ضارة للغاية. وتعتمد هذه عدم الكفاءة بشكل كبير على الخصائص الديناميكية الحرارية للسائل وعلى ظروف التشغيل.

من أجل استعادة الحرارة المنخفضة الدرجة، يكون للسائل عمومًا درجة غليان أقل من الماء. وتعتبر المبردات والهيدروكربونات من المكونات المستخدمة بشكل شائع.

الخصائص المثالية للسائل العامل:

منحنى تشبع البخار المتساوي الحرارة :

نظرًا لأن الغرض من ORC يركز على استعادة الطاقة الحرارية منخفضة الدرجة، فإن النهج المفرط في التسخين مثل دورة رانكين التقليدية ليس مناسبًا. لذلك، سيتم تفضيل التسخين المفرط الصغير عند مخرج المبخر دائمًا، مما يضر بالسوائل "الرطبة" (التي تكون في حالة ثنائية الطور في نهاية التمدد). في حالة السوائل الجافة، يجب استخدام جهاز تجديد.

نقطة التجمد منخفضة، درجة حرارة الاستقرار عالية:

على عكس الماء، عادة ما تتعرض السوائل العضوية للتدهور الكيميائي والتحلل عند درجات حرارة عالية. وبالتالي فإن أقصى درجة حرارة للمصدر الساخن تكون محدودة بالاستقرار الكيميائي للسائل العامل. يجب أن تكون نقطة التجمد أقل من أدنى درجة حرارة في الدورة.

حرارة عالية للتبخر والكثافة:

سيمتص السائل ذو الحرارة الكامنة العالية والكثافة المزيد من الطاقة من المصدر في المبخر وبالتالي يقلل من معدل التدفق المطلوب وحجم المنشأة واستهلاك المضخة.

تأثير بيئي منخفض

المعايير الرئيسية التي تم أخذها في الاعتبار هي إمكانية استنفاد الأوزون (ODP) وإمكانية الاحتباس الحراري العالمي (GWP).

أمان

يجب أن يكون السائل غير قابل للتآكل وغير قابل للاشتعال وغير سام. يمكن استخدام تصنيف ASHRAE للسلامة للمبردات كمؤشر لمستوى خطورة السائل.

توفر جيد وتكلفة منخفضة
الضغوط المقبولة

أمثلة على السوائل العاملة

مركبات الكلورو فلورو كربون : محظورة بموجب بروتوكول مونتريال بسبب استنفاد الأوزون (على سبيل المثال R-11 و R-12 )
مركبات الهيدروكلوروفلوروكربون : التخلص التدريجي منها بسبب تعديل كوبنهاجن لبروتوكول مونتريال (على سبيل المثال R-22 و R-123 )
مركبات الهيدروفلوروكربون (على سبيل المثال R134a و R245fa )
HCs : منتجات ثانوية شائعة الاستخدام في مرافق معالجة الغاز قابلة للاشتعال ( على سبيل المثال الأيزوبيوتان والبنتان والبروبان )
مركبات الكربون الكلورية فلورية ^[14]

نمذجة أنظمة ORC

تتطلب محاكاة دورات ORC مُحللًا رقميًا يتم فيه تنفيذ معادلات توازن الكتلة والطاقة، ونقل الحرارة، وانخفاض الضغط، والخسائر الميكانيكية، والتسربات، وما إلى ذلك. يمكن تقسيم نماذج ORC إلى نوعين رئيسيين: الحالة المستقرة والديناميكية. هناك حاجة إلى نماذج الحالة المستقرة لغرض التصميم (أو تحديد الحجم)، ولمحاكاة الحمل الجزئي. من ناحية أخرى، تأخذ النماذج الديناميكية في الاعتبار أيضًا تراكم الطاقة والكتلة في المكونات المختلفة. وهي مفيدة بشكل خاص لتنفيذ ومحاكاة استراتيجيات التحكم، على سبيل المثال أثناء التحولات العابرة أو أثناء بدء التشغيل و جوانب رئيسية أخرى لنمذجة ORC هي حساب خصائص السوائل العضوية الديناميكية الحرارية . يجب تجنب معادلة الحالات البسيطة (EOS) مثل Peng-Robinson لأن دقتها منخفضة. يجب تفضيل معادلة الحالات البسيطة (EOS) مثل قواعد بيانات الخصائص الحرارية الفيزيائية والنقل الحديثة.

تتوفر أدوات مختلفة للأغراض المذكورة أعلاه، ولكل منها مزايا وعيوب. وفيما يلي أكثرها شيوعًا.


أداة	السببية	نوع المحاكاة	توزيع	أمثلة	وصف
أدوات النمذجة الديناميكية الحرارية العامة
دورة المحور	غير سببي	حالة مستقرة	غير مجاني
دورة الإيقاع	سببي	حالة مستقرة	غير مجاني
حل المعادلات الهندسية	غير سببي	حالة مستقرة	غير مجاني	نموذج ORC بسيط في EES محفوظ في 2016-03-04 على موقع Wayback Machine
جي تي سويت	غير سببي	الحالة الثابتة والديناميكية	غير مجاني	شاحنة كومينز سوبر دبليو اتش ار
نظام إدارة التعلم Imagine.Lab Amesim	سببي و السببية	الحالة الثابتة والديناميكية	غير مجاني	مصنع ORC صغير الحجم
بروسيم بلس	/	حالة مستقرة	غير مجاني
أدوات النمذجة العامة
ماتلاب / سيمولينك	سببي	حالة مستقرة / ديناميكية	غير مجاني
سكيلاب / اكسكوس	غير سببي	حالة مستقرة / ديناميكية	مفتوح المصدر	نموذج ORC البسيط	بديل مفتوح المصدر لـ Matlab.
أدوات عامة للخصائص الحرارية الفيزيائية وخصائص النقل للسوائل العضوية
أسبن بروب	/		غير مجاني
كولبروب	/		مفتوح المصدر
فلويد بروب	/		حر
ريفبروبل	/		غير مجاني
سيموليس ترموديناميكا	/		غير مجاني

انظر أيضا

مراجع

^ هاري تسفي تابور، كليفلاند كاتلر، موسوعة الأرض ، 2007.
^ القسم الإسرائيلي للجمعية الدولية للطاقة الشمسية أرشيف 2009-01-11 على موقع واي باك مشين ، تحرير جيرشون جروسمان، كلية الطاقة الميكانيكية، معهد التخنيون ، حيفا ؛ المسودة النهائية.
^ Arifin, M.; Pasek, AD (2015). تصميم موسعات توربينية شعاعية لنظام دورة رانكين العضوية الصغيرة . المؤتمر الدولي السابع لتقنيات التبريد والتدفئة. المجلد 88. ص. 012037. رمز Bibcode :2015MS&E...88a2037A. doi : 10.1088/1757-899X/88/1/012037 .
^ زيفياني ، دافيد. جوسيف، سيرجي؛ شوسلر، ستيفان. أخيشيا، عبد الناصر؛ براون، جيمس E.؛ غرول، إيكهارد A.؛ بابي ميشيل دي. فان دن بروك ، مارتين (13 سبتمبر 2017). “استخدام موسع برغي واحد في دورة رانكين العضوية مع التوسع المغمور بالسائل والتجديد الداخلي”. بروسيديا الطاقة . 129 : 379. دوى : 10.1016/j.egypro.2017.09.239 .
^ جالوني، إي.؛ فونتانا، جي.؛ ستاكوني، إس. (25 يوليو 2015). "تصميم وتحليل تجريبي لمحطة طاقة صغيرة تعمل بدورة رانكين العضوية (ORC) تعتمد على سائل عمل R245fa". الطاقة . 90 : 768-775. doi :10.1016/j.energy.2015.07.104.
^ تحويل الطاقة المستدامة من خلال استخدام دورات رانكين العضوية لاستعادة الحرارة المهدرة وتطبيقات الطاقة الشمسية (PDF) (أطروحة). جامعة لييج، لييج، بلجيكا. 2011-10-04 . تم الاسترجاع في 2011-10-31 .
^ T. Tartiere. "ORC World Map" . تم الاسترجاع في 16 أغسطس 2016 .
^ Quoilin, Sylvain; Broek, Martijn Van Den; Declaye, Sébastien; Dewallef, Pierre; Lemort, Vincent (2013). "الدراسة التقنية الاقتصادية لأنظمة دورة رانكين العضوية (ORC)" (PDF) . مراجعات الطاقة المتجددة والمستدامة . 22 : 168–186. doi : 10.1016/j.rser.2013.01.028 . تم الاسترجاع في 2013-03-02 .
^ "مولدات الطاقة الشمسية الصغيرة". Stginternational.org. مؤرشف من الأصل في 2013-03-03 . تم استرجاعه في 2017-04-29 .{{cite web}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)
^ "الطاقة من الشمس :: الفصل 12.2 دورات طاقة رانكين". الطاقة من الشمس . تم استرجاعه في 2017-04-29 .
^ "RayGen تركز طاقاتها على إمكانات التخزين الهائلة". www.ecogeneration.com.au . 2020-04-23 . تم الاسترجاع في 2021-01-28 .
^ بليك ماتيش (2020-03-20). "ARENA تعزز التمويل لمحطة الطاقة الكهرومائية الشمسية RayGen". مجلة PV . تم الاسترجاع في 2021-01-28 .
^ أوكازاكي، توري؛ شيراي، ياسويوكي؛ ناكامورا، تاكيتسوني (2015). "دراسة مفهومية لطاقة الرياح باستخدام تحويل الطاقة الحرارية المباشرة وتخزين الطاقة الحرارية". الطاقة المتجددة . 83 : 332-338. doi : 10.1016/j.renene.2015.04.027 . hdl : 2433/235628 .
^ "TURBODEN - أنظمة دورة رانكين العضوية" (PDF) .

روابط خارجية

مركز المعرفة حول دورة رانكين العضوية

Original text

Rate this translation

Your feedback will be used to help improve Google Translate

[Earth-1] هاري تسفي تابور، كليفلاند كاتلر، موسوعة الأرض ، 2007.

[Grossman-2] القسم الإسرائيلي للجمعية الدولية للطاقة الشمسية أرشيف 2009-01-11 على موقع واي باك مشين ، تحرير جيرشون جروسمان، كلية الطاقة الميكانيكية، معهد التخنيون ، حيفا ؛ المسودة النهائية.

[turbine_expanders-3] Arifin, M.; Pasek, AD (2015). تصميم موسعات توربينية شعاعية لنظام دورة رانكين العضوية الصغيرة . المؤتمر الدولي السابع لتقنيات التبريد والتدفئة. المجلد 88. ص. 012037. رمز Bibcode :2015MS&E...88a2037A. doi : 10.1088/1757-899X/88/1/012037 .

[Screw_Expander-4] زيفياني ، دافيد. جوسيف، سيرجي؛ شوسلر، ستيفان. أخيشيا، عبد الناصر؛ براون، جيمس E.؛ غرول، إيكهارد A.؛ بابي ميشيل دي. فان دن بروك ، مارتين (13 سبتمبر 2017). “استخدام موسع برغي واحد في دورة رانكين العضوية مع التوسع المغمور بالسائل والتجديد الداخلي”. بروسيديا الطاقة . 129 : 379. دوى : 10.1016/j.egypro.2017.09.239 .

[scroll_expander-5] جالوني، إي.؛ فونتانا، جي.؛ ستاكوني، إس. (25 يوليو 2015). "تصميم وتحليل تجريبي لمحطة طاقة صغيرة تعمل بدورة رانكين العضوية (ORC) تعتمد على سائل عمل R245fa". الطاقة . 90 : 768-775. doi :10.1016/j.energy.2015.07.104.

[6] تحويل الطاقة المستدامة من خلال استخدام دورات رانكين العضوية لاستعادة الحرارة المهدرة وتطبيقات الطاقة الشمسية (PDF) (أطروحة). جامعة لييج، لييج، بلجيكا. 2011-10-04 . تم الاسترجاع في 2011-10-31 .

[7] T. Tartiere. "ORC World Map" . تم الاسترجاع في 16 أغسطس 2016 .

[8] Quoilin, Sylvain; Broek, Martijn Van Den; Declaye, Sébastien; Dewallef, Pierre; Lemort, Vincent (2013). "الدراسة التقنية الاقتصادية لأنظمة دورة رانكين العضوية (ORC)" (PDF) . مراجعات الطاقة المتجددة والمستدامة . 22 : 168–186. doi : 10.1016/j.rser.2013.01.028 . تم الاسترجاع في 2013-03-02 .

[9] "مولدات الطاقة الشمسية الصغيرة". Stginternational.org. مؤرشف من الأصل في 2013-03-03 . تم استرجاعه في 2017-04-29 .{{cite web}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)

[10] "الطاقة من الشمس :: الفصل 12.2 دورات طاقة رانكين". الطاقة من الشمس . تم استرجاعه في 2017-04-29 .

[11] "RayGen تركز طاقاتها على إمكانات التخزين الهائلة". www.ecogeneration.com.au . 2020-04-23 . تم الاسترجاع في 2021-01-28 .

[12] بليك ماتيش (2020-03-20). "ARENA تعزز التمويل لمحطة الطاقة الكهرومائية الشمسية RayGen". مجلة PV . تم الاسترجاع في 2021-01-28 .

[13] أوكازاكي، توري؛ شيراي، ياسويوكي؛ ناكامورا، تاكيتسوني (2015). "دراسة مفهومية لطاقة الرياح باستخدام تحويل الطاقة الحرارية المباشرة وتخزين الطاقة الحرارية". الطاقة المتجددة . 83 : 332-338. doi : 10.1016/j.renene.2015.04.027 . hdl : 2433/235628 .

[14] "TURBODEN - أنظمة دورة رانكين العضوية" (PDF) .

اللغة	العربية (RTL)
روابط موسوعية	30 رابطاً
المصدر الأصلي	ويكيبيديا ↗