जैविक रैंकिन चक्र



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

यह तकनीक 1950 के दशक के अंत में ऑरमैट टेक्नोलॉजीज और हैरी ज़वी ताबोर द्वारा विकसित की गई थी। नेफ्था इंजन, सिद्धांत रूप में ओआरसी के समान लेकिन अन्य अनुप्रयोगों के लिए विकसित, 1890 के दशक की शुरुआत में उपयोग में थे।

ओआरसी का कार्य सिद्धांत
कार्बनिक 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। पेंच, स्क्रॉल करें, या अन्य विस्तारक), और फिर एक कंडेनसर हीट एक्सचेंजर के माध्यम से जहां इसे अंततः फिर से संघनित किया जाता है।

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

किसी भी वास्तविक चक्र में, अपरिवर्तनीयता की उपस्थिति चक्र की थर्मल दक्षता को कम कर देती है। वे अपरिवर्तनीयताएँ मुख्य रूप से होती हैं:
 * विस्तार के दौरान: दबाव अंतर से पुनर्प्राप्त होने योग्य ऊर्जा का केवल एक हिस्सा उपयोगी कार्य में परिवर्तित होता है। दूसरा भाग ऊष्मा में परिवर्तित होकर नष्ट हो जाता है। विस्तारक की दक्षता को आइसेंट्रोपिक विस्तार के साथ तुलना करके परिभाषित किया गया है।
 * हीट एक्सचेंजर्स में: कार्यशील तरल पदार्थ लंबा और टेढ़ा रास्ता अपनाता है जो अच्छा ताप विनिमय सुनिश्चित करता है लेकिन दबाव में गिरावट का कारण बनता है जिससे चक्र से पुनर्प्राप्त होने वाली बिजली की मात्रा कम हो जाती है। इसी तरह, ताप स्रोत/सिंक और कार्यशील तरल पदार्थ के बीच तापमान का अंतर ऊर्जा विनाश उत्पन्न करता है और चक्र प्रदर्शन को कम करता है।

ओआरसी के लिए आवेदन


जैविक रैंकिन चक्र प्रौद्योगिकी के कई संभावित अनुप्रयोग हैं, और दुनिया भर में इसकी स्थापित क्षमता 2.7 गीगावॉट से अधिक और 698 पहचाने गए बिजली संयंत्र हैं। उनमें से, सबसे व्यापक और आशाजनक क्षेत्र निम्नलिखित हैं:

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

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

भूतापीय पौधे
भूतापीय ऊर्जा का तापमान 50 से 350°C तक भिन्न होता है। इसलिए ORC इस प्रकार के अनुप्रयोग के लिए पूरी तरह से अनुकूलित है। हालाँकि, यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि कम तापमान वाले भू-तापीय स्रोतों (आमतौर पर 100 डिग्री सेल्सियस से कम) के लिए, दक्षता बहुत कम है और हीट सिंक तापमान (परिवेश के तापमान द्वारा परिभाषित) पर दृढ़ता से निर्भर करती है।

सौर तापीय ऊर्जा
कार्बनिक रैंकिन चक्र का उपयोग सामान्य भाप रैंकिन चक्र के स्थान पर सौर तापीय ऊर्जा परवलयिक गर्त प्रौद्योगिकी में किया जा सकता है। ओआरसी कम क्षमता और कम कलेक्टर तापमान पर बिजली उत्पादन की अनुमति देता है, और इसलिए कम लागत, छोटे पैमाने पर विकेन्द्रीकृत केंद्रित सौर ऊर्जा इकाइयों की संभावना है। ओआरसी फोटोवोल्टिक थर्मल हाइब्रिड सौर कलेक्टर हाइब्रिड सीएसपी-पीवी सिस्टम को भी सक्षम बनाता है जो थर्मल ऊर्जा भंडारण से सुसज्जित है, जो उनके तात्कालिक बिजली उत्पादन के 70% तक की ऑन-डिमांड रिकवरी प्रदान करता है, और अन्य प्रकार के विद्युत भंडारण के लिए काफी कुशल विकल्प हो सकता है।

पवनतापीय ऊर्जा
हाल ही में तथाकथित पवन तापीय ऊर्जा टर्बाइनों पर चर्चा की गई है जो पवन ऊर्जा को सीधे मध्यम तापमान ताप (600 डिग्री सेल्सियस तक) में परिवर्तित कर सकते हैं। उन्हें थर्मल स्टोरेज के साथ जोड़ा जा सकता है और बिजली उत्पन्न करने के लिए ओआरसी के साथ उपयुक्त रूप से मिलान किया जा सकता है।

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

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

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 सुपरहीटिंग को हमेशा प्राथमिकता दी जाएगी, जो गीले तरल पदार्थ (जो विस्तार के अंत में दो चरण की स्थिति में हैं) को नुकसान पहुंचाती है। सूखे तरल पदार्थ के मामले में, पुनर्योजी का उपयोग किया जाना चाहिए। पानी के विपरीत, कार्बनिक तरल पदार्थ आमतौर पर उच्च तापमान पर रासायनिक गिरावट और अपघटन से पीड़ित होते हैं। इस प्रकार अधिकतम गर्म स्रोत का तापमान कार्यशील तरल पदार्थ की रासायनिक स्थिरता द्वारा सीमित होता है। हिमांक बिंदु चक्र के न्यूनतम तापमान से कम होना चाहिए। 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। ध्यान में रखे गए मुख्य पैरामीटर ओजोन रिक्तीकरण क्षमता (ओडीपी) और ग्लोबल वार्मिंग क्षमता (जीडब्ल्यूपी) हैं। तरल पदार्थ गैर संक्षारक, गैर ज्वलनशील और गैर विषैला होना चाहिए। रेफ्रिजरेंट के ASHRAE सुरक्षा वर्गीकरण का उपयोग द्रव खतरनाक 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
 * अच्छी उपलब्धता और कम लागत
 * स्वीकार्य दबाव

कार्यशील तरल पदार्थों के उदाहरण

 * क्लोरो fluorocarbon : ओजोन रिक्तीकरण के कारण मॉन्ट्रियल प्रोटोकॉल द्वारा प्रतिबंधित (जैसे ट्राइक्लोरोफ्लोरोमेथेन R-11, डाइक्लोरोडिफ्लोरोमेथेन R-12)
 * एचसीएफसी: मॉन्ट्रियल प्रोटोकॉल में कोपेनहेगन संशोधन के कारण चरणबद्ध तरीके से समाप्त हो रहे हैं (उदाहरण के लिए क्लोरोडिफ्लोरोमेथेन आर-22, 2,2-डाइक्लोरो-1,1,1-ट्राइफ्लोरोइथेन|आर-123)
 * हाइड्रोफ्लोरोकार्बन#हाइड्रोफ्लोरोकार्बन (जैसे R134a, R245fa)
 * हाइड्रोकार्बन: ज्वलनशील, गैस प्रसंस्करण सुविधाओं के सामान्य उप-उत्पाद (जैसे आइसोब्यूटेन, पेंटेन, प्रोपेन)
 * फ्लोरोकार्बन

मॉडलिंग ORC सिस्टम
ओआरसी चक्रों का अनुकरण करने के लिए संख्यात्मक सॉल्वर की आवश्यकता होती है जिसमें द्रव्यमान और ऊर्जा संतुलन, गर्मी हस्तांतरण, दबाव की बूंदें, यांत्रिक हानि, रिसाव आदि के समीकरण लागू होते हैं।

ओआरसी मॉडल को दो मुख्य प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है: स्थिर-अवस्था और गतिशील। डिज़ाइन (या आकार) उद्देश्य और आंशिक-लोड सिमुलेशन दोनों के लिए स्थिर-स्थिति मॉडल की आवश्यकता होती है। दूसरी ओर, गतिशील मॉडल, विभिन्न घटकों में ऊर्जा और द्रव्यमान संचय के लिए भी जिम्मेदार होते हैं। वे नियंत्रण रणनीतियों को लागू करने और अनुकरण करने के लिए विशेष रूप से उपयोगी हैं, उदा। क्षणिक के दौरान या प्रारंभ के दौरान &

ओआरसी मॉडलिंग का एक अन्य प्रमुख पहलू कार्बनिक द्रव कार्यशील द्रव की गणना है। पेंग-रॉबिन्सन जैसे राज्यों के सरल समीकरण (ईओएस) से बचना चाहिए क्योंकि उनकी सटीकता कम है। उदाहरण के लिए, मल्टीपैरामीटर ईओएस को प्राथमिकता दी जानी चाहिए। अत्याधुनिक थर्मोफिजिकल और परिवहन गुण डेटाबेस।

उपरोक्त उद्देश्यों के लिए विभिन्न उपकरण उपलब्ध हैं, जिनमें से प्रत्येक के फायदे और नुकसान हैं। सबसे आम लोगों की रिपोर्ट यहां नीचे दी गई है।

यह भी देखें

 * रैंकिन चक्र
 * थर्मोडायनामिक चक्र
 * विभिन्न स्रोतों से उत्पन्न बिजली की सापेक्ष लागत
 * नेफ्था लॉन्च
 * कार्यशील तरल पदार्थ
 * गैर आदर्श संपीड़ित द्रव गतिशीलता

बाहरी संबंध

 * Knowledge Center on Organic Rankine Cycle