जैविक रैंकिन चक्र



थर्मल इंजीनियरिंग में, जैविक रैंकिन चक्र (ओआरसी) एक प्रकार का ऊष्मागतिक चक्र है। यह रैंकिन चक्र का एक रूप है जिसे कार्बनिक यौगिक, उच्च-आणविक-द्रव्यमान द्रव (जल की तुलना में) के उपयोग के लिए नामित किया गया है जिसका वाष्पीकरण तापमान जल की तुलना में कम है। तरल पदार्थ कम तापमान वाले स्रोतों जैसे बायोमास दहन, औद्योगिक अपशिष्ट ताप, भूतापीय ऊर्जा, सौर तालाब आदि से ताप की वसूली की अनुमति देता है। इस प्रकार से निम्न तापमान वाली ताप को उपयोगी कार्य (ऊष्मागतिक) में परिवर्तित किया जाता है, जो की स्वयं विद्युत उत्पादन हो सकता है।

इस प्रकार से यह तकनीक 1950 के दशक के अंत में ऑरमैट टेक्नोलॉजीज और हैरी ज़वी ताबोर द्वारा विकसित की गई थी।

अतः नेफ्था इंजन, सिद्धांत रूप में ओआरसी के समान किन्तु अन्य अनुप्रयोगों के लिए विकसित, 1890 के दशक की प्रारंभ में उपयोग में थे।

ओआरसी का कार्य सिद्धांत
इस प्रकार से जैविक रैंकिन चक्र का कार्य सिद्धांत रैंकिन चक्र के समान है: कार्यशील तरल पदार्थ को बायलर में पंप किया जाता है जहां इसे वाष्पित किया जाता है, एक विस्तार उपकरण (टरबाइन) के माध्यम से पारित किया जाता है। एक विस्तार उपकरण (टरबाइन, पेंच, स्क्रॉल करें, या अन्य विस्तारक), और फिर एक द्रव्यनित्र ताप विनिमयकर्ता के माध्यम से जहां इसे अंततः पुनः से संघनित किया जाता है।

चूंकि इंजन के सैद्धांतिक मॉडल द्वारा वर्णित आदर्श चक्र में, विस्तार समदाब रेखीय प्रक्रिया है और वाष्पीकरण और संघनन प्रक्रियाएं समदाब रेखीय प्रक्रिया हैं।

किसी भी वास्तविक चक्र में, अपरिवर्तनीयता की उपस्थिति चक्र की तापीय दक्षता को कम कर देती है। वे अपरिवर्तनीयताएँ मुख्य रूप से होती हैं:
 * विस्तार के समय: दबाव अंतर से पुनर्प्राप्त होने योग्य ऊर्जा का केवल एक भाग उपयोगी कार्य में परिवर्तित होता है। और द्वतीय भाग ऊष्मा में परिवर्तित होकर नष्ट हो जाता है। किन्तु विस्तारक की दक्षता को आइसेंट्रोपिक विस्तार के साथ तुलना करके परिभाषित किया गया है।
 * ताप विनिमयकर्ता्स में: कार्यशील तरल पदार्थ दीर्घ और टेढ़ा रास्ता अपनाता है जो उचित ताप विनिमय सुनिश्चित करता है किन्तु दाब में गिरावट का कारण बनता है जिससे चक्र से पुनर्प्राप्त होने वाली विधुत की मात्रा कम हो जाती है। इसी प्रकार, ताप स्रोत/सिंक और कार्यशील तरल पदार्थ के मध्य तापमान का अंतर ऊर्जा विनाश उत्पन्न करता है और चक्र प्रदर्शन को कम करता है।

ओआरसी के लिए आवेदन


जैविक रैंकिन चक्र प्रौद्योगिकी के अनेक संभावित अनुप्रयोग हैं, और विश्व में इसकी स्थापित क्षमता 2.7 गीगावॉट से अधिक और 698 पहचाने गए विधुत संयंत्र हैं। उनमें से, अधिक व्यापक और आशाजनक क्षेत्र निम्नलिखित हैं:

अपशिष्ट ताप पुनर्प्राप्ति
इस प्रकार से अपशिष्ट ताप पुनर्प्राप्ति इकाई जैविक रैंकिन चक्र (ओआरसी) के लिए अधिक महत्वपूर्ण विकास क्षेत्रों में से एक है। इसे ताप और विधुत संयंत्र (उदाहरण के लिए घरेलू वॉटर हीटर पर छोटे माप पर सह-उत्पादन संयंत्र), या औद्योगिक और कृषि प्रक्रियाओं जैसे जैविक उत्पादों किण्वन, ओवन या भट्टियों से ऊष्म निकास (जैसे चूना और सीमेंट भट्टियां) पर प्रयुक्त किया जा सकता है। इस प्रकार से ग्रिप-गैस संघनन, वाहनों से निकलने वाली गैसें, कंप्रेसर का इंटरकूलिंग, पावर चक्र का कंडेनसर, आदि।

बायोमास विधुत संयंत्र
बायोमास विश्व भर में उपलब्ध है और इसका उपयोग छोटे से मध्यम आकार के बायोमास विधुत संयंत्र पर विधुत के उत्पादन के लिए किया जा सकता है। जिससे ओआरसी विधुत संयंत्रों में कार्य के कम दबाव के कारण स्टीम बॉयलर जैसी मशीनरी के लिए उच्च विशिष्ट निवेश की समस्या दूर हो जाती है। और अन्य लाभ कार्य करने वाले तरल पदार्थ की विशेषताओं के कारण मशीन का दीर्घ परिचालन जीवन है, जो की वाष्प के विपरीत वाल्व सीट ट्यूबिंग और टरबाइन ब्लेड के लिए गैर-क्षरण और गैर-संक्षारण है। ओआरसी प्रक्रिया अनेक क्षेत्रों में उपलब्ध इनपुट ईंधन की अपेक्षाकृत कम मात्रा को दूर करने में भी सहायता करती है क्योंकि छोटे आकार के पौधों के लिए एक कुशल ओआरसी विधुत संयंत्र संभव है।

भूतापीय पौधे
इस प्रकार से भूतापीय ऊर्जा का तापमान 50 से 350°C तक भिन्न होता है। इसलिए ओआरसी इस प्रकार के अनुप्रयोग के लिए पूर्ण रूप से अनुकूलित है। चूंकि, यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि कम तापमान वाले भू-तापीय स्रोतों (सामान्यतः 100 डिग्री सेल्सियस से कम) के लिए, दक्षता अधिक कम है और ताप सिंक तापमान (परिवेश के तापमान द्वारा परिभाषित) पर दृढ़ता से निर्भर करती है।

सौर तापीय ऊर्जा
जैविक रैंकिन चक्र का उपयोग सामान्य वाष्प रैंकिन चक्र के स्थान पर सौर तापीय ऊर्जा परवलयिक गर्त प्रौद्योगिकी में किया जा सकता है। ओआरसी कम क्षमता और कम कलेक्टर तापमान पर विधुत उत्पादन की अनुमति देता है, और इसलिए कम निवेश, छोटे माप पर विकेन्द्रीकृत केंद्रित सौर ऊर्जा इकाइयों की संभावना है। चूंकि ओआरसी फोटोवोल्टिक थर्मल हाइब्रिड सौर कलेक्टर हाइब्रिड सीएसपी-पीवी प्रणाली को भी सक्षम बनाता है जो की तापीय ऊर्जा संचय से सुसज्जित है, जो उनके तात्कालिक विधुत उत्पादन के 70% तक की ऑन-डिमांड पुनर्प्राप्ति प्रदान करता है, और अन्य प्रकार के विद्युत संचय के लिए अधिक कुशल विकल्प हो सकता है।

पवनतापीय ऊर्जा
वर्तमान में तथाकथित पवन तापीय ऊर्जा टर्बाइनों पर विचार किया गया है जो की पवन ऊर्जा को सीधे मध्यम तापमान ताप (600 डिग्री सेल्सियस तक) में परिवर्तित कर सकते हैं। उन्हें तापीय संचय के साथ जोड़ा जा सकता है और विधुत उत्पन्न करने के लिए ओआरसी के साथ उपयुक्त रूप से मिलान किया जा सकता है।

कार्यशील द्रव का चयन
इस प्रकार से निम्न तापमान रैंकिन चक्रों में कार्यशील तरल पदार्थों का चयन महत्वपूर्ण महत्व रखता है। और कम तापमान के कारण, ताप हस्तांतरण अक्षमताएं अत्यधिक प्रतिकूल हैं। ये अक्षमताएं द्रव की ऊष्मागतिक विशेषताओं और परिचालन स्थितियों पर बहुत अधिक निर्भर करती हैं।

निम्न-श्रेणी की ताप को पुनः प्राप्त करने के लिए, तरल पदार्थ का उबलने का तापमान सामान्यतः जल की तुलना में कम होता है। रेफ्रिजरेंट और हाइड्रोकार्बन सामान्यतः उपयोग किए जाने वाले दो घटक हैं।

इस प्रकार से कार्यशील द्रव की इष्टतम विशेषताएँ : चूँकि ओआरसी का उद्देश्य निम्न श्रेणी की ऊष्मा शक्ति की पुनर्प्राप्ति पर केंद्रित है, इसलिए पारंपरिक रैंकिन चक्र जैसा अतितापित दृष्टिकोण उचित नहीं है। इसलिए, बाष्पीकरणकर्ता के निकास पर एक छोटी अतिताप को सदैव प्राथमिकता दी जाएगी, जो नम तरल पदार्थ (जो विस्तार के अंत में दो चरण की स्थिति में हैं) को हानि पहुंचाती है। शुष्क तरल पदार्थ की स्तिथियों में, पुनर्योजी का उपयोग किया जाना चाहिए। जल के विपरीत, कार्बनिक तरल पदार्थ सामान्यतः उच्च तापमान पर रासायनिक गिरावट और अपघटन से पीड़ित होते हैं। इस प्रकार अधिकतम ऊष्म स्रोत का तापमान कार्यशील तरल पदार्थ की रासायनिक स्थिरता द्वारा सीमित होता है। हिमांक बिंदु चक्र के न्यूनतम तापमान से कम होना चाहिए। इस प्रकार से उच्च गुप्त ऊष्मा और घनत्व वाला तरल पदार्थ बाष्पीकरणकर्ता में स्रोत से अधिक ऊर्जा को अवशोषित करेगा और इस प्रकार आवश्यक प्रवाह दर, सुविधा का आकार और पंप की खपत को कम करेगा। अतः ध्यान में रखे गए मुख्य मापदंड ओजोन रिक्तीकरण क्षमता (ओडीपी) और ग्लोबल वार्मिंग क्षमता (जीडब्ल्यूपी) हैं। तरल पदार्थ गैर संक्षारक, गैर ज्वलनशील और गैर विषैला होना चाहिए। रेफ्रिजरेंट के एएसएचआरएई सुरक्षा वर्गीकरण का उपयोग द्रव संकटजनक स्तर के संकेतक के रूप में किया जा सकता है।
 * आइसेंट्रोपिक संतृप्ति वाष्प वक्र :
 * निम्न हिमांक, उच्च स्थिरता तापमान:
 * वाष्पीकरण और घनत्व की उच्च ऊष्मा :
 * कम पर्यावरणीय प्रभाव
 * सुरक्षा
 * उचित उपलब्धता और कम निवेश
 * स्वीकार्य दबाव

कार्यशील तरल पदार्थों के उदाहरण

 * क्लोरोफ्लोरोकार्बन: ओजोन रिक्तीकरण के कारण मॉन्ट्रियल प्रोटोकॉल द्वारा प्रतिबंधित (जैसे ट्राइक्लोरोफ्लोरोमेथेन R-11, डाइक्लोरोडिफ्लोरोमेथेन R-12)
 * एचसीएफसी: मॉन्ट्रियल प्रोटोकॉल में कोपेनहेगन संशोधन के कारण चरणबद्ध विधियों से समाप्त हो रहे हैं (उदाहरण के लिए क्लोरोडिफ्लोरोमेथेन आर-22, 2,2-डाइक्लोरो-1,1,1-ट्राइफ्लोरोइथेन आर-123)
 * हाइड्रोफ्लोरोकार्बन हाइड्रोफ्लोरोकार्बन (जैसे आर134ए, आर245एफए)
 * हाइड्रोकार्बन: ज्वलनशील, गैस प्रसंस्करण सुविधाओं के सामान्य उप-उत्पाद (जैसे आइसोब्यूटेन, पेंटेन, प्रोपेन)
 * फ्लोरोकार्बन

मॉडलिंग ओआरसी प्रणाली
इस प्रकार से ओआरसी चक्रों का अनुकरण करने के लिए संख्यात्मक सॉल्वर की आवश्यकता होती है जिसमें द्रव्यमान और ऊर्जा संतुलन, ताप हस्तांतरण, दबाव की बूंदें, यांत्रिक हानि, रिसाव आदि के समीकरण प्रयुक्त होते हैं।

ओआरसी मॉडल को दो मुख्य प्रकारों में स्थिर-अवस्था और गतिशील विभाजित किया जा सकता है। डिज़ाइन (या आकार) उद्देश्य और आंशिक-भार अनुकरण दोनों के लिए स्थिर-स्थिति मॉडल की आवश्यकता होती है।

दूसरी ओर, गतिशील मॉडल, विभिन्न घटकों में ऊर्जा और द्रव्यमान संचय के लिए भी उत्तरदायी होते हैं। वे नियंत्रण रणनीतियों को प्रयुक्त करने और अनुकरण करने के लिए विशेष रूप से उपयोगी हैं, इस प्रकार से उदा क्षणिक के समय या प्रारंभ के समय और ओआरसी मॉडलिंग का एक अन्य प्रमुख भाग कार्बनिक द्रव ऊष्मागतिकी गुणों की गणना है।राज्यों के सरल समीकरण (ईओएस) जैसे पेंग-रॉबिन्सन से बचना चाहिए क्योंकि उनकी स्पष्टतः कम है। इस प्रकार से उदाहरण के लिए, मल्टीमापदंड ईओएस अत्याधुनिक थर्मोफिजिकल और परिवहन गुण डेटाबेस को प्राथमिकता दी जानी चाहिए।

अतः उपरोक्त उद्देश्यों के लिए विभिन्न उपकरण उपलब्ध हैं, जिनमें से प्रत्येक के लाभ और हानि हैं। इस प्रकार से अधिक समान लोगों की सूचना यहां नीचे दी गई है।

यह भी देखें

 * रैंकिन चक्र
 * ऊष्मागतिक चक्र
 * विभिन्न स्रोतों से उत्पन्न विधुत की सापेक्ष निवेश
 * नेफ्था लॉन्च
 * कार्यशील तरल पदार्थ
 * गैर आदर्श संपीड़ित द्रव गतिशीलता

बाहरी संबंध

 * Knowledge Center on Organic Rankine Cycle