ของไหลสำหรับ ORC, ORGANIC RANKINE CYCLE

ระบบ ORC สามารถใช้เปลี่ยนพลังงานความร้อนที่มีศักยภาพต่ำให้เป็นกำลังงานสำหรับการผลิตไฟฟ้าและงานอื่นๆได้เช่นเดียวกับวงจรการทำงานของโรงไฟฟ้าพลังไอน้ำที่เรียกว่าวงจรแรนกิ้น (Rankine cycle) ระบบ ORC ใช้สารออแกนิก (Organic) เป็นของไหลในระบบแทนการใช้น้ำ ทำให้ระบบORCสามารถใช้แหล่งความร้อนที่มีอุณหภูมิต่ำลงได้แก่ ความร้อนสูญเสียจากกระบวนการผลิตในงานอุตสาหกรรม พลังงานทางเลือก เชื้อเพลิงชีวมวล และอื่นๆ ระบบ ORC เหมาะสำหรับการผลิตไฟฟ้าขนาดจิ๊วคือตั้งแต่ 2 MWลงมา จึงเหมาะสำหรับการกระจายโรงไฟฟ้าระบบ ORC นี้ไปสู่ชุมชนขนาดเล็กที่มีแหล่งพลังงานทางเลือกจากวัสดุทางการเกษตร

การออกแบบวงจร ความดัน อุณหภูมิที่ใช้จากแหล่งความร้อน การออกแบบอุปกรณ์ต่างๆ และการเลือกใช้สารออแกนิก(Organic)ซึ่งจะเรียกจ่อไปว่าของไหลสำหรับงานประเภทต่างๆ มีคุณสมบัติไม่เหมือนกัน เมื่อใช้กับงานประเภทหนึ่งมีประสิทธิภาพสูงสุด อาจด้อยกว่าเมื่อใช้กับงานประเภทอื่นได้

ต่อไปจะอธิบายแนวความคิดพร้อมตัวอย่างการคำนวณประเภทของไหลต่างๆที่ใช้กับระบบ ORC เปรียบเทียบการทำงานของวงจรแบบต่างๆ ทั้งความดันเหนือจุดวิกฤติ(Supercritical pressure) และความดันใต้จุดวิกฤติ (Subcritical pressure) โดยเปรียบเทียบทั้งของไหลเข้าเอ็กซ์แปนเดอร์ (Expander) เป็นก๊าซอิ่มตัว (Saturated gas) และก๊าซร้อนยิ่งยวด (Superheated gas) ของไหลที่นำมาเปรียบเทียบมีทั้งแบบที่มีความสัมพันธ์ของอุณหภูมิและเอ็นโทรปี (T,s diagram) แบบระฆังคว่ำและแบบระฆังเอียง ซึ่งจะเป็นแนวทางให้ผู้สนใจได้ศึกษาและเลือกใช้ในอนาคต

ประเภทของระบบ ORC

วงจรการทำงานของระบบ ORC มี 2แบบ คือแบบที่อุณหภูมิของไหลที่อีวาปอเรเตอร์อยู่ในช่วงอิ่มตัว (Saturated temperature) หรือความดันของไหลต่ำกว่าความดันวิกฤต(Subcritical pressure) และความดันของไหลในอีวาปอเรเตอร์สูงกว่าความดันวิกฤติของของไหล(Supercritical pressure) ทั้งนี้คุณสมบัติของไหลมี 2แบบคือ จะมีความสัมพันธ์ของอุณหภูมิและเอ็นโทรปีแบบระฆังคว่ำ และแบบระฆังเอียง

สามารถแยกวงจรการทำงานของระบบ ORC ออกตามคุณสมบัติของของไหลทั้งสิ้นได้ดังนี้

- วงจร b1 ใช้ของไหลลักษณะระฆังคว่ำ ของไหลออกจากอีวาปอเรเตอร์เป็นก๊าซอิ่มตัว

- วงจร b2 ใช้ของไหลลักษณะระฆังคว่ำ ของไหลออกจากอีวาปอเรเตอร์เป็นก๊าซร้อนยิ่งยวด (Superheated)

- วงจร o1 ใช้ของไหลลักษณะระฆังเอียง ของไหลออกจากอีวาปอเรเตอร์เป็นก๊าซอิ่มตัว

- วงจร o2 ใช้ของไหลลักษณะระฆังเอียง ของไหลออกจากอีวาปอเรเตอร์เป็นก๊าซร้อนยิ่งยวด

- วงจร s1 ใช้ของไหลลักษณะระฆังคว่ำ ของไหลออกจากอีวาปอเรเตอร์มีความดันมากกว่าความดันวิกฤติ

- วงจร s2 ใช้ของไหลลักษณะระฆังคว่ำ ของไหลออกจากอีวาปอเรเตอร์มีความดันมากกว่าความดันวิกฤติ

วงจร b1 ตามรูปที่ 1. เมื่อของไหลแบบระฆังคว่ำจากอีวาปอเรเตอร์เป็นก๊าซอิ่มตัวเข้าเอ็กซ์แปนเดอร์ที่จุด 3. ของไหลจะให้กำลังกับเอ็กซ์แปนเดอร์และออกจากเอ็กซ์แปนเดอร์ที่จุด 4. บางส่วนตัดบริเวณอิ่มตัว จึงจะเกิดของเหลวในเอ็กซ์แปนเดอร์ทำให้มีการสึกกร่อนกับเอ็กซ์แปนเดอร์ ไม่เหมาะสำหรับการใช้งาน

วงจร b2. ตามรูปที่ 2. ปรับปรุงจากวงจร b1 โดยให้ความร้อนเพิ่มเพื่อให้ก๊าซร้อนเข้าเอ็กซ์แปนเดอร์ที่จุด 3. เป็นก๊าซร้อนยิ่งยวดและออกจากเอ็กซ์แปนเดอร์ที่จุด 4. ซึ่งยังคงเป็นก๊าซร้อนยิ่งยวดจึงไม่เกิดของเหลวในเอ็กซ์แปนเดอร์ ทำให้ไม่เกิดการสึกกร่อนกับเอ็กซ์แปนเดอร์ ที่จุด4.มีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิของไหลที่ออกจากเครื่องสูบจึงสามารถใช้ให้ความร้อนแก่ของไหลจากเครื่องสูบได้ จุด 4aเป็นอุณหภูมิที่ของไหลเข้าคอนเดนเซอร์ และจุด 2a เป็นอุณหภูมิของไหลที่เข้าอีวาปอเรเตอร์

วงจร o2 ตามรูปที่ 3. เมื่อของไหลแบบระฆังเอียงจากอีวาปอเรเตอร์เป็นก๊าซอิ่มตัวเข้าเอ็กซ์แปนเดอร์ที่จุด 3. ของไหลจะให้กำลังกับเอ็กซ์แปนเดอร์และออกจากเอ็กซ์แปนเดอร์ที่จุด 4.ซึ่งยังคงเป็นก๊าซร้อนยิ่งยวดจึงไม่เกิดของเหลวในเอ็กซ์แปนเดอร์ ทำให้ไม่เกิดการสึกกร่อนกับเอ็กซ์แปนเดอร์ โดยไม่ต้องเพิ่มอุณหภูมิให้เป็นก๊าซร้อนยิ่งยวด และสามารถใช้ก๊าซจากเอ็กซ์แปนเดอร์อุ่นของไหลจากเครื่องสูบได้เช่นเดียวกัน

วงจร o3. ให้ความร้อนที่อีวาปอเรเตอร์วงจร o2มากขึ้น ของไหลให้กำลังกับเอ็กซ์แปนเดอร์จากจุด 3 ถึงจุด 4.โดยเป็นก๊าซร้อนยิ่งยวดตลอด จึงไม่เกิดของเหลวในเอ็กซ์แปนเดอร์ ทำให้ไม่เกิดการสึกกร่อนกับเอ็กซ์แปนเดอร์ สามารถใช้ก๊าซจากเอ็กซ์แปนเดอร์อุ่นของไหลจากเครื่องสูบได้เช่นเดียวกัน

วงจร s1 ตามรูปที่ 4. เมื่อของไหลแบบระฆังคว่ำจากอีวาปอเรเตอร์มีความดันเข้าเอ็กซ์แปนเดอร์ที่จุด 3.สูงกว่าความดันวิกฤติของของไหล (Supercritical pressure) เมื่อให้กำลังกับเอ็กซ์แปนเดอร์และออกจากเอ็กซ์แปนเดอร์ที่จุด 4 ซึ่งในรูปอยู่ในบริเวณอิ่มตัวจึงเกิดของเหลวในเอ็กซ์แปนเดอร์ทำให้เกิดการสึกกร่อนกับเอ็กซ์แปนเดอร์

วงจร s2 ปรับปรุงจากวงจร s1 ของไหลออกจากเอ็กซ์แปนเดอร์ที่จุด 4. ซึ่งยังคงเป็นก๊าซร้อนยิ่งยวดจึงไม่เกิดของเหลวในเอ็กซ์แปนเดอร์ ทำให้ไม่เกิดการสึกกร่อนกับเอ็กซ์แปนเดอร์ สามารถใช้ก๊าซจากเอ็กซ์แปนเดอร์อุ่นของไหลจากเครื่องสูบได้เช่นเดียวกัน

รูปที่ 1.วงจรการทำงานของ ORC แบบ b1 บนแผนภูมิอุณหภูมิ-เอ็นโทรปีของของไหลแบบระฆังคว่ำ ก๊าซอิ่มตัวที่จุด 3. เข้าเอ็กซ์แปนเดอร์

รูปที่ 2.วงจรการทำงานของ ORC แบบ b2 บนแผนภูมิอุณหภูมิ-เอ็นโทรปีของของไหลแบบระฆังคว่ำ ก๊าซร้อนยิ่งยวดที่จุด 3. เข้าเอ็กซ์แปนเดอร์

รูปที่ 3. วงจรการทำงานของ ORC แบบ c2 บนแผนภูมิอุณหภูมิ-เอ็นโทรปีของของไหลแบบระฆังเอียง ก๊าซอิ่มตัวที่จุด 3. เข้าเอ็กซ์แปนเดอร์

รูปที่ 4. วงจรการทำงานของ ORC แบบ c3 บนแผนภูมิอุณหภูมิ-เอ็นโทรปีของของไหลแบบระฆังเอียง ก๊าซร้อนยิ่งยวดที่จุด 3. เข้าเอ็กซ์แปนเดอร์

รูปที่ 5. วงจรการทำงานของ ORC แบบ s1 บนแผนภูมิอุณหภูมิ-เอ็นโทรปีของของไหลแบบระฆังคว่ำ ความดันที่จุด 3. เข้าเอ็กซ์แปนเดอร์มีความดันสูงกว่าความดันวิกฤติ แต่เมื่อออกจากเอ็กซ์แปนเดอร์ที่จุด 4. ยังอยู่ในบริเวณอิ่มตัว

รูปที่ 6.วงจรการทำงานของ ORC แบบ s2 บนแผนภูมิอุณหภูมิ-เอ็นโทรปีของของไหลแบบระฆังคว่ำ ความดันที่จุด 3. เข้าเอ็กซ์แปนเดอร์มีความดันสูงกว่าความดันวิกฤติ แต่เมื่อของไหลออกจากเอ็กซ์แปนเดอร์ที่จุด 4. ยังเป็นก๊าซร้อนยิ่งยวด

สรุปว่าไม่ควรใช้วงจรที่เกิดของเหลวในเอ็กซ์แปนเดอร์ และเมื่อของไหลที่ออกจากเอ็กซ์แปนเดอร์เป็นก๊าซร้อนยิ่งยวด สามารถใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน IHE(Internal heat exchanger) เพื่อลดความร้อนสูญเสียที่คอนเดนเซอร์และลดความร้อนที่ต้องให้ที่อีวาปอเรเตอร์ทำให้ประสิทธิภาพของระบบสูงขึ้น รูปที่ 7.เป็นวงจรมาตรฐานของระบบ ORC ที่มี IHE สำหรับแลกเปลี่ยนความร้อน

รูปที่ 7. วงจรการทำงานมาตรฐานของระบบ ORC

การเลือกประเภทของไหล

สารออกานิกเป็นของไหลที่มีโมเลกุลใหญ่กว่าน้ำ เมื่อขับเอ็กซ์แปนเดอร์จะทำให้ได้ประสิทธิภาพมากกว่าไอน้ำเนื่องจากรั่วผ่านใบน้อยกว่า มีประสิทธิภาพช่วงภาระน้อยที่สูงกว่าน้ำ การเลือกประเภทของไหลมีข้อควรพิจารณาดังนี้

1. มีความเสถียร ไม่เสื่อมสภาพที่สภาพการใช้งานโดยเฉพาะที่อุณหภูมิแหล่งความร้อน และไม่แข็งตัว

2. ให้ประสิทธิภาพความร้อนของระบบสูงที่สุดในช่วงอุณหภูมิของแหล่งความร้อนและอุณหภูมิที่ใช้ระบายความร้อน ได้กำลังจากเอ็กซ์แปนเดอร์ มากที่สุดและใช้ไฟฟ้าที่เครื่องสูบน้อยที่สุด

3. มีความหนาแน่นไอสูงเพื่อให้เครื่อง Expander และคอนเดนเซอร์ มีขนาดเล็ก

4. มีความดันต่ำเพื่อให้มีราคาและความซับซ้อนของระบบน้อยลง

5. ความสัมพันธ์ของอุณหภูมิและเอ็นโทรปีเป็นรูประฆังเอียง ไออิ่มตัวผ่านเอ็กซ์แปนเดอร์ไม่เกิดของเหลว ไม่ทำให้ใบสึกหลอ และเมื่อออกจากเอ็กซ์แปนเดอร์จะเป็นไอยิ่งยวดใช้ให้ความร้อนแก่ของเหลวจากเครื่องสูบได้

6. ในด้านสิ่งแวดล้อม ต้องมีคุณสมบัติ) the Ozone Depleting Potential (ODP), the Greenhouse Warming Potential (GWP) ต่ำ ไม่กัดกร่อน ไม่ทำให้เกิดการผุกร่อน ไม่ติดไฟ และไม่เป็นพิษ

7. จัดหาได้ง่าย มีราคาเหมาะสม โดยเฉพาะระบบที่ต้องใช้ของไหลเป็นปริมาณมาก

ของไหลเหล่านี้ได้แก่ alkanes, fluorinated alkanes, ethers, fluorinated ethers, สารไฮโดรคาร์บอน สารทำความเย็น และก๊าซอื่นๆ

ประสิทธิภาพความร้อนของระบบ ORC

จากรูปที่ 2. และรูปที่ 7. การทำงานของเทอร์ไบน์.ในทางทฤษฐีเป็น Isentropic process หรือมีเอ็นโทรปีคงที่ แต่ในความป็นจริงจะมีความสูญเสียเกิดขึ้นทำให้ประสิทธิภาพารเปลี่ยนแปลงพลังงานน้อยกว่า 3 นั่นคือตามรูปที่ 2. ไอน้ำที่ออกจากเทอร์ไบน์จะเอียงไปด้านที่มีอุณหภูมิสูงขึ้นที่ความดันออกจากเทอร์ไบน์ตามรูปที่ 2. โดยมีประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์ตามสมการที่ 1.

η turbine = (h3 - h4) / (h3 - h4s) (1)

อุณหภูมิไอที่ออกจาก 4.ใช้แลกเปลี่ยนความร้อนกับของเหลวจากเครื่องสูบที่จุด 2. ช่วยลดการสูญเสียความร้อนที่ต้องทิ้งที่คอนเดนเซอร์(h4-h4a) และลดความร้อนจากอีวาปอเรเตอร์ที่ต้องให้ของเหลวในจำนวนเท่ากัน (h2a-h2)

(h4-h4a) = (h2a-h2) (2)

ความร้อนที่ระบายที่คอนเดนเซอร์

Qc = h4a - h1 (3)

การทำงานของเครื่องสูบน้ำก็มีลักษณะเดียวกันกับการทำงานของเทอร์ไบน์. ซึ่งตามความเป็นจริงเครื่องสูบน้ำจะมีพลังงานสูญเสียเป็นความร้อนทำให้อุณหภูมิน้ำที่ออกจากเครื่องสูบน้ำสูงขึ้นโดยมีความดันเท่ากับความดันน้ำที่ออกจากเครื่องสูบน้ำ ประสิทธิภาพเครื่องสูบ

η pump = (h2S - h1) / (h2 - h1) (4)

ความร้อนที่ให้ที่อีวาปอเรเตอร์

QI = h3 – h2a (5)

ประสิทธิภาพทั้งสิ้นของวงจรสามารถคำนวณได้จากสมการที่ 6.

ηT = Output / Input = ((h3-h4)-(h2-h1))/(h3-h2a)

= ((h3 - h4s)x η turbine- (h2S - h1)/ η pump) / (h3 - h2-(h4-h4a)) (6)

สมการที่ 6. เพื่อให้ประสิทธิภาพสูงจะต้องใช้เอ็กซ์แปนเดอร์และเครื่องสูบที่มีประสิทธิภาพไอเซนโทรปิกสูง และจะต้องสามารถแลกเปลี่ยนความร้อนที่ IHE ได้มาก ซึ่งทั้งหมดนี้ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางความร้อนของของไหลโดยตรงและโดยอ้อม ทั้งนี้อุณหภูมิของจุดต่างๆในวงจรจะต้องเหมาะกับสภาพการทำงานที่สำคัญคืออุณหภูมิของแหล่งความร้อนและแหล่งระบายความร้อน

อุณหภูมิของแหล่งความร้อนเป็นตัวกำหนดอุณหภูมิและความดันของของไหลในอีวาปอเรเตอร์ สำหรับแหล่งความร้อนที่มีคุณสมบัติที่ทำให้เกิดการกัดกร่อนและการผุกร่อนจำเป็นที่จะต้องมีระบบตัวกลางเพื่อถ่ายเทความร้อนอีกทีหนึ่ง แม้จะทำให้ระบบ ORC ได้รับอุณหภูมิลดลงเล็กน้อย แต่ก็ช่วยลดความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นได้ รูปที่ 8. เพิ่มเส้นบนสุดแลดงอุณหภูมิและเอ็นโทรปีของตัวกลางที่รับความร้อนจากแหล่งความร้อนมาถ่ายเทให้อีวาปอเรเตอร์ ควรเลือกตัวกลางให้มีความจุความร้อนสูงและมีอัตราการไหลมากพอเพื่อให้เมื่อถ่ายเทความร้อนแล้วมีอุณหภูมิลดลงน้อยซึ่งจะทำให้ของไหลมีอุณหภูมิที่อีวาปอเรเตอร์สูงขึ้น แต่เมื่อรับความร้อนจากแหล่งความร้อนจากแหล่งความร้อนก็จะได้อุณหภูมิต่ำด้วย อุณหภูมิใกล้ที่สุด (Pinch) เป็นตัวกำหนดอุณหภูมิสูงสุดของอีวาปอเรเตอร์

รูปที่ 8. เมื่อใช้ระบบตัวกลางแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างแหล่งความร้อนกับอีวาปอเรเตอร์

อุณหภูมิของแหล่งรับความร้อนเป็นตัวกำหนดอุณหภูมิคอนเดนเซอร์ ซึ่งโดยทั่วไปจะใช้น้ำเป็นตัวกลาง โดยใช้น้ำเป็นดึงความร้อนจากคอนเดนเซอร์และคายให้อากาศในรูปความร้อนแฝง ทำให้อุณหภูมิต่ำสุดเท่ากับอุณหภูมิกระเปาะเปียกของอากาศ ในหอผึ่งน้ำแบบระเหยน้ำ(Evaporative cooling tower) แต่การที่น้ำระเหยที่ท่อโดยตรงทำให้เกิดตะกรันและการผุกร่อนได้ต้องใช้วัสดุที่มีราคาแหง จึงมักจะใช้การระบายความร้อนสัมผัสด้วยน้ำโดยใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน(Heat exchanger) และหอผึ่งน้ำ(Cooling tower) ระบายความร้อนจากน้ำทิ้งให้อากาศด้วยการระเหย ทำให้มีความเสี่ยงจากการผุกร่อนลดลงแต่ก็ทำให้มีอุณหภูมิคอนเดนเซอร์สูงขึ้นเล็กน้อย

ตัวอย่างการเลือกของไหลด้วยประสิทธิภาพ 1.

ต่อไปนี้เป็นผลการคำนวนประสิทธิภาพความร้อนของระบบ ORC ตามรูปที่ 7. เพื่อใช้ผลิตไฟฟ้าด้วยความร้อนใต้พิภพซึ่ง โดยเปรียบเทียบของไหลแบบสารเดียว 31 ชนิด เป็นวงจรอิ่มตัว(Subcritical) 41วงจร ความดันไม่เกิน 20บาร์และเป็นวงจรที่มีความดันเหนือวิกฤติ(Supercritical) 7วงจร ความดันสูงสุด 65บาร์ วงจรเป็นแบบมี IHE และไม่มี IHE ทำงานด้วยข้อกำหนดดังต่อไปนี้

- อุณหภูมิสูงสุดของวงจร 100ซ (t3 = 100) ความดันสูงสุด 20บาร์สำหรับวงจรอิ่มตัว

- อุณหภูมิต่ำสุดของวงจร 30ซ (อุณหภูมิคอนเดนเซอร์)

- ให้อุณหภูมิของไหลออกจากIHE ทางด้านเอ็กซ์แปนเดอร์มีอุณหภูมิสูงกว่าคอนเดนเซอร์ 10 ซ (t4a=30+10)

- ประสิทธิภาพไอเซนโทรปิกของเอ็กซ์แปนเดอร์และเครื่องสูบเท่ากับ 85% และ65% ตามลำดับ

- เปรียบเทียบอัตราการไหลเพื่อให้ผลิตไฟฟ้าได้ 1MW

การคำนวณประสิทธิภาพความร้อนใช้วิธีการและสมการตามที่อิบายไปแล้วข้างต้น โดยใช้ค่าคุณสมบัติของของไหลต่างๆจากสมการ Backbone equation of state ซึ่งเป็นสมการที่นำคุณสมบัติของของไหลจากผลการทดลองของของไหลนั้นๆมาคำนวณค่าสัมประสิทธิที่เหมาะสมกับคุณสมบัติทางกายภาพของสารนั้นเอง สมการเหล่านี้จัดทำขึ้นโดย NIST (National Institute of Standards and Technology) หาได้จากซอฟท์แวร์ที่ชื่อ REFPROP ซึ่งออกเวอร์ชั่นปรับปรุงใหม่มาเรื่อยๆ เพื่อให้ครอบคลุมของไหลที่พัฒนามาใหม่

เมื่อวงจรทำงานในช่วงอุณหภูมิ 100ซ ถึง 30ซ ระบบจะมีประสิทธิภาพสูงสุดในอุดมคติ(Carnot cycle eff.) = (100-30)/(273,15+100)x100 = 18.8% จากตารางที่ 1.ซึ่งแสดงการเปรียบเทียบการทำงานวงจร ORC โดยใช้ของไหลแบบต่างๆกัน จะเห็นได้ว่าของไหลที่มีประสิทธิภาพความร้อนสูงจะเป็นวงจร o2 ซึ่งสูงสุดคือ 14.14% ใช้ n-hexane เป็นของไหลและใช้ IHE แลกเปลี่ยนความร้อน

วงจรของไหล R125 แบบระฆังคว่ำมีอุณหภูมิวิกฤติต่ำกว่า 100ซ เมื่อใช้วงจร b1 ความดัน 20บาร์จะมีอุณหภูมิต่ำ อุณหภูมิเข้าเอ็กซ์แปนเดอร์จึงต่ำ และวงจร b1 ไม่สามารถจะใช้ IHE ได้จะมีประสิทธิภาพความร้อนต่ำสุด และมีของเหลวภายในเอ็กซ์แปนเดอร์ ที่ทางออกของเอ็กซ์แปนเดอร์มีก๊าซของเหลว 1% (x=0.99) เมื่อมาใช้วงจร b3 สามารถทำให้อุณหภูมิเข้าเอ็กซ์แปนเดอร์สูงขึ้นจนถึง 100oซ โดยทำให้มีอุณหภูมิยิ่งยวดถึงจะไม่ใช้ IHE ก็ยังมีประสิทธิภาพความร้อนสูงขึ้น และเมื่อใช้ IHE ก็สามารถให้ประสิทธิภาพความร้อนสูงขึ้นได้อีก

สำหรับของไหลแบบระฆังเอียง R218 มีอุณหภูมิวิกฤติต่ำกว่า 100oซ เมื่อใช้วงจร o2 ที่ความดัน 20บาร์จะมีอุณหภูมิต่ำ อุณหภูมิเข้าเอ็กซ์แปนเดอร์จึงต่ำ และที่ทางออกของเอ็กซ์แปนเดอร์มีอุณหภูมิไม่สูงนักจึง ไม่ใช้ IHE ทำให้มีประสิทธิภาพความร้อนต่ำ เมื่อมาใช้วงจร o3 สามารถทำให้อุณหภูมิเข้าเอ็กซ์แปนเดอร์สูงขึ้นจนถึง 100oซ โดยทำให้มีอุณหภูมิยิ่งยวดถึงจะไม่ใช้ IHE ก็ยังมีประสิทธิภาพความร้อนสูงขึ้น และเมื่อใช้ IHE ก็สามารถให้ประสิทธิภาพความร้อนสูงขึ้นได้อีก

ปริมาตรของไหลเข้าเอ็กซ์แปนเดอร์ V3 และอัตราส่วนปริมาตรของไหลออกและเข้าจากเอ็กซ์แปนเดอร์ V4/V3 มีผลต่อการเลือกประเภท ขนาด รอบการหมุน และประสิทธิภาพไอเซนโทรปิกของเอ็กซ์แปนเดอร์

ข้อสังเกตุจากตารางที่ 1. คือเมื่ออุณหภูมิวิกฤติของของไหลสูงขึ้น วงจรที่ทำงานในช่วงอิ่มตัวจะมีประสิทธิภาพความร้อนสูงขึ้น ซึ่งของไหลที่เป็นสารที่มีโมเลกุลจับกันแบบเรียบง่ายจะมีความสัมพันธ์แบบระฆังคว่ำและมีอุณหภูมิวิกฤติต่ำ ส่วนสารที่มีโมเลกุลซับซ้อนจะมีความสัมพันธ์เป็นแบบระฆังเอียงและมีอุณหภูมิวิกฤติสูงขึ้น สิ่งที่สำคัญสำหรับการเลือกชองไหลยังมีข้อควรพิจารณษอื่นๆตามที่อธิบายไว้ข้างต้น ดังนั้นวงจร ORC และประเภทของไหลที่เลือกจึงจะอยู่ในกลุ่มที่มีประสิทธิภาพสูงสุดและดีที่สุดสำหรับข้อควรพิจารณาอื่นๆด้วย

ตารางที่ 1. เปรียบเทียบการทำงานของวงจร ORC แบบต่างๆในช่วงอิ่มตัว(Subcritical) ของของไหลหลายๆชนิดทั้งแบบที่มี IHE กับแบบที่ไม่มี IHE

เมื่อกำหนดอุณหภูมิสูงสุดไว้ 100oซ วงจรเป็นแบบเหนือวิกฤติจึงต้องใช้ของไหลที่มีอุณหภูมิวิกฤติต่ำกว่า ตารางที่ 2. จึงเป็นของไหลเป็นแบบระฆังคว่ำ ซึ่งจะมีความร้อนระบายทิ้งที่คอนเดนเซอร์น้อยกว่าแบบระฆังเอียง วงจรของของไหลที่มีอุณหภูมิวิกฤติสูงใกล้เคียงกับอุณหภูมิสูงสุด (100 oซ) จะทำให้ของไหลออกจากเอ็กซ์แปนเดอร์ยังอยู่ในส่วนอิ่มตัวและเกิดของไหลในเอ็กซ์แปนเดอร์ตามตารางที่ 2.(R290) หรือใช้ความดันสูงสุดสูงเกินไปก็จะมีลักษณะเดียวกัน (R143a ความดันสูงสุด ≥ 55บาร์) ถ้าเลือกของไหลที่มีอุณหภูมิวิกฤติต่ำ(R41) อุณหภมิต่ำสุดจะบังคับให้อุณหภูมิของไหลที่ออกจากเอ็กซ์แปนเดอร์สูงเกินไปทำให้ประสิทธิภาพต่ำ วงจรที่ดีที่สุดคือวงจร s2 ของไหลที่ใช้คือ R143a ประสิทธิภาพความร้อนสูงสุด 9.29% ซึ่งต่ำกว่าวงจร o2 เนื่องจากถูกจำกัดที่อุณหภูมิสูงสุด 100oซ ทุกครั้งที่จะออกแบบใช้ระบบ ORC จึงควรหาประสิทธิภาพความร้อนของระบบ ORC ชนิดของไหลและเปรียบเทียบข้อดีข้อเสียให้เหมาะสมที่สุด

ตารางที่ 2. เปรียบเทียบการทำงานของวงจร ORC แบบต่างๆในช่วงเหนือวิกฤติ (Supercritical) ของของไหล 3ชนิดทั้งแบบที่มี IHE กับแบบที่ไม่มี IHE

การใช้สารตัวกลาง

แหล่งความร้อนที่ทำให้มีการกัดกร่อนหรือการผุกร่อนเช่นไอเสียจากการเผาไหม้ อากาศร้อนจากกระบวนการผลิต อาจทำให้อีวาปอเรเตอร์เสียหายทำให้สูญเสียของไหลของระบบ ORC ซึ่งมีราคาแพงและอาจทำให้เกิดความเสียหายแก่เอ็กซ์แปนเดอร์และอุปกรณ์ จึงควรใช้สารตัวกลางละอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนภายนอก(EHE, External heat exchanger) เพื่อลดความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นและทำให้ระบบ ORC มีความมั่นคงขึ้น

ในกรณีของรังสีอาทิตย์ที่ต้องใช้แผงรับแสงอาทิตย์จำนวนมากและใช้พื้นที่มากเพื่อให้ได้พลังงานมากพอ ถ้าใช้ของไหลโดยตรงก็จะต้องใช้ของไหลมากจึงจำเป็นต้องใช้สารตัวกลางเพื่อลดต้นทุนของระบบและลดโอกาสที่ของไหล จะรั่วไหล ซึ่งการทำงานของระบบ ORC ได้รับผลโดยตรงจากการถ่ายเทความร้อนของตัวกลาง

รูปที่ 9. วงจรการทำงานมาตรฐานของระบบ ORC เมื่อใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนภายในและภายนอก

สามารถใช้สารตัวกลางได้หลายชนิดเช่น น้ำ และน้ำมันความร้อน (Hot oil) ซึ่งถ้ามีค่าความจุความร้อนมากพอ จะสามารถใช้เป็นสารเก็บความร้อนได้ด้วย รูปที่ 9.เป็นวงจร ORC ที่ใช้สารตัวกลางแลกเปลี่ยนความร้อนจากแหล่งความร้อน.ใน EHE มาให้อีวาปอเรเตอร์ที่จุด 5 และกลับจากอีวาปอเรเตอร์ที่จุด 6.มารับความร้อนจากแหล่งความร้อน

ใช้น้ำเป็นตัวกลางมีค่าความจุความร้อน 4.2kJ/kg.K และmC เป็นอัตราการไหลของตัวกลาง สำหรับตัวอย่างข้างต้นให้อุณหภูมิของตัวกลางเข้าอีวาปอเรเตอร์ (t5) 120oซ อุณหภูมิใกล้ที่สุด (Pinch) ระหว่างอุณหภูมิของอีวาปอเรเตอร์กับสารตัวกลางเท่ากับ 10oซ จึงสามารถคำนวณอัตราการไหลของสารตัวกลางและอุณหภูมิของสารตัวกลางที่ออกจากอีวาปอเรเตอร์ได้ดังตัวอย่างตามรูปที่ 10, 11.และรูปที่ 12.

รูปที่ 10. แผนภูมิแสดงความสัมพันธ์ของอุณหภูมิกับความร้อนที่ถ่ายเทให้อีวาปอเรเตอร์ของของไหล R601 จากตารางที่ 1. ระบบ ORC แบบ o2

- แกนตั้งเป็นอุณหภูมิ ค่าสูงสุด 120ซ ค่าเริ่มต้นเป็นอุณหภูมิที่ของไหลเข้าอีวาปอเรเตอร์

- ประสิทธิภาพความร้อนของ R601 เมื่อไม่ใช้ IHE เท่ากับ 12.91%

- เมื่อคำนวณย้อนกลับเพื่อให้ได้ไฟฟ้า 1MW ความร้อนที่ตัวกลางถ่ายเทให้อีวาปอเรเตอร์ เท่ากับ 1/.1291 = 7.745 MW

- แกนนอนเป็นความร้อนที่ถ่ายเทเริ่มจาก 0 ถึง 7.745 MW เส้นของของไหลคำนวณจากค่าเอ็นทาลปีตามอัตราการไหลในตารางที่ 1.

- จากตารางที่ 1. R601ซึ่งเป็นวงจร o2 อุณหภูมิอิ่มตัวเข้าเอ็กซ์แปนเดอร์ 100ซ

- อุณหภูมิตัวกลางใกล้ที่สุดเท่ากับ 100+10 = 110 ซ

- ขีดเส้นในรูปที่ 10.อุณหภูมิ t6 = 104.05 ซ

- ความร้อนที่ตัวกลางถ่ายเทให้ของไหล = 4.2 x (120 -104.05 ) = 66.99 kJ/kg

- อัตราการไหลของตัวกลาง = 7745 /66.99 = 115.6 kg/s

วงจร ORC แบบ b3 และแบบ s2 สามารถคำนวณอุณหภูมิตัวกลางที่ออกจากอีวาปอเรเตอร์ได้ในลักษณะเดียวกันตามรูปที่ 11. และ 12. แล้วจึงคำนวณอัตราการไหลของตัวกลางได้ ผลการคำนวณทั้งหมดและ C5F12 แสดงในตารางที่ 3.

รูปที่ 11. แผนภูมิแสดงความสัมพันธ์ของอุณหภูมิกับความร้อนที่ถ่ายเทให้อีวาปอเรเตอร์ของไหล R152a จากตารางที่ 1 ระบบ ORC แบบ b3

รูปที่ 12. แผนภูมิแสดงความสัมพันธ์ของอุณหภูมิกับความร้อนที่ถ่ายเทให้อีวาปอเรเตอร์ของไหล R143a จากตารางที่ 1 ระบบ ORC แบบ s2

ตารางที่ 3. ผลการคำนวณอัตราการไหลของน้ำ(ตัวกลาง) ให้ความร้อนแก่ของไหล 4ชนิด ในวงจร ORC แบบต่างๆ ซึ่งให้ไฟฟ้า 1MW โดยไม่มี IHE

Tp,c h เป็นอุณหภูมิของของไหลที่ใกล้อุณหภูมิตัวกลางมากที่สุด Tp,h เป็นอุณหภูมิของตัวกลางที่ใกล้อุณหภูมิของไหลมากที่สุด

ข้อสังเกตุจากตารางที่ 3.สรุปได้ดังต่อไปนี้

- วงจรแบบ o2 มีอุณหภูมิน้ำตัวกลางลดลงน้อยเนื่องจากมีอัตราการไหลของน้ำตัวกลางมากเป็นวงจรที่มีประสิทธิภาพความร้อนสูง

- ถ้าใช้น้ำหมุนเวียนเช่นระบบรังสีอาทิตย์ น้ำไม่สูญเสียจึงเหมาะจะใช้วงจรที่มีประสิทธิภาพความร้อนสูง

- ถ้างานมีการสูญเสียน้ำเนื่องจากคุณภาพน้ำเช่นความร้อนใต้พิภพ ควรใช้วงจรที่มีอัตราการไหลของน้ำตัวกลางน้อยแม้ประสิทธิภาพความร้อนจะต่ำกว่า

- เมื่ออุณหภูมิ t6 ยังสูงอยู่เช่น R601 น่าจะนำไปใช้ในอีกวงจรหนึ่งได้ ทำให้ได้ประสิทธิภาพดีขึ้น

ตัวอย่างการเลือกของไหลด้วยประสิทธิภาพ 2.

การออกแบบต้องเริ่มจากจากอุณหภูมิของแหล่งความร้อนแล้วจึงออกแบบระบบ ORC เลือกตัวกลางและของไหลในระบบ คำนวณประสิทธิภาพของระบบ ORC เพื่อใช้ผลิตไฟฟ้าด้วยความร้อนสูญเสีย ทำงานตามข้อมูลดังต่อไปนี้

- อุณหภูมิแหล่งความร้อนสูงสุด 145ซ อัตราการไหล 15.951 กก/วินาที

- อุณหภูมิอากาศภายนอก 20ซ วงจรเป็นแบบมี IHE และไม่มี IHE

- อุณหภูมิใกล้ที่สุด (Pinch) ระหว่างอุณหภูมิสูงสุดของอีวาปอเรเตอร์กับแหล่งความร้อน 8ซ

- อุณหภูมิที่คอนเดนเซอร์ซึ่งเป็นอุณหภูมิต่ำสุดของวงจร t1 = 25ซ สูงกว่าอุณหภูมิแหล่งระบายความร้อน 5ซ

- ความดันที่คอนเดนเซอร์เป็นความดันอิ่มตัวของของไหลที่ 25ซ

- อุณหภูมิสูงสุดของวงจรคืออุณหภูมิของไหลที่เข้าเอ็กซ์แปนเดอร์

- ความดันสูงสุด(Pmax) คือความดันที่อีวาปอเรเตอร์

- ถ้าใช้ IHE อุณหภูมิของไหลออกจาก IHE สูงกว่าอุณหภูมิของไหลที่ออกจากเครื่องสูบ 5ซ. (t4a - t2 = 5)

- ประสิทธิภาพไอเซนโทรปิกของเอ็กซ์แปนเดอร์และเครื่องสูบเท่ากับ 85% และ60% ตามลำดับ

เมื่อกำหนดเฉพาะอุณหภูมิสูงสุดและอัตราการไหลของแหล่งความร้อน การเลือกประเภทวงจร สภาพการทำงาน อุณหภูมิสำหรับการทำงานจึงมีทางเลือกมากขึ้น เอกสารอ้างอิง 3. แสดงการคำนวณหาค่าที่ดีที่สุดของของไหล 10ชนิด โดยใช้วงจรแบบที่ของไหลในอีวาปอเรเตอร์มีความดันต่ำกว่าความดันวิกฤติ นั่นคือมีอุณหภูมิอิ่มตัวได้ผลตามรูปที่ 13. รูปที่ 14. และตารางที่ 3.

ความสัมพันธ์ของกำลังสุทธิที่ได้จากระบบ ORC และความดันของของไหลเข้าเอ็กซ์แปนเดอร์ ของไหลแบบต่างๆจากการคำนวณแสดงในรูปที่ 13. จะเห็นได้ว่าสำหรับของไหลแต่ละชนิดมีความดันค่าหนึ่งที่มีกำลังสุทธิสูงที่สุด ดังนั้นในการคำนวณออกแบบจะต้องหาความดันนี้ให้ได้ก่อน เพื่อทำการคำนวณอื่นๆต่อไป

รูปที่ 13. กำลังสุทธิจากระบบ ORC และความดันของของไหลเข้าเอ็กซ์แปนเดอร์ของของไหล 10ชนิด เมื่ออุณหภูมิของไหลเข้าเอ็กซ์แปนเดอร์ 135ซ

ความสัมพันธ์ของกำลังสุทธิจากระบบ ORC และอุณหภูมิของไหลเข้าเอ็กซ์แปนเดอร์ที่ความดันที่ดีที่สุดแสดงในรูปที่ 14. จะเห็นว่ามีเฉพาะน้ำและแอมโมเนียเท่านั้นที่มีกำลังสุทธิมากขึ้นเมื่ออุณหภูมิเข้าเอ็กซ์แปนเดอร์มากขึ้น แต่ของไหลอื่นๆจะให้กำลังสุทธิลดลง จึงควรให้อุณหภูมิของไหลเข้าเอ็กซ์แปนเดอร์น้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้ ของไหลที่ใช้จึงควรมีความสัมพันธ์ของอุณหภูมิและเอ็นโทรปีเป็นแบบระฆังเอียงใช้วงจร o2 ซึ่งจะมีอุณหภูมิของไหลเข้าเอ็กซ์แปนเดอร์ต่ำสุด

รูปที่ 14. กำลังสุทธิจากระบบ ORC และอุณหภูมิของของไหลเข้าเอ็กซ์แปนเดอร์ของของไหล 10ชนิดที่ความดันที่ดีที่สด

ตารางที่ 3. การทำงานของวงจร ORC แบบต่างๆในช่วงอิ่มตัว(Subcritical) ที่ดีที่สุดของของไหล 10 ชนิดทั้งแบบที่มี IHE กับแบบที่ไม่มี IHE

การทำงานของวงจร ORC ที่ดีที่สุดสำหรับของไหล 10 ชนิดแสดงในตารางที่ 3. อุณหภูมิของไหลสูงสุดที่เข้าเอ็กซ์แปนเดอร์ต่ำกว่าในตารางที่ 1. ประสิทธิภาพความร้อนจึงต่ำกว่าในตารางที่ 1. แม้จะมีความดันของไหลต่ำสุดที่คอนเดนเซอร์ต่ำกว่า

ผลการคำนวณในตารางที่ 3.ประสิทธิภาพความร้อนของวงจรที่มี IHE กับไม่มี IHE มีค่าใกล้เคียงกัน ที่อุณหภูมิของไหลเข้าเอ็กซ์แปนเดอร์ต่ำๆจึงไม่จำเป็นต้องใช้ IHE

บทส่งท้าย

ประสิทธิภาพความร้อนสูงสุดของการผลิตไฟฟ้าคือประสิทธิภาพตามวงจรในอุดมคติ(Carnot cycle efficiency) ประสิทธิภาพความร้อนในอุดมคติของระบบที่มีอุณหภูมิต่ำมีค่าน้อย จึงมักจะไม่ได้นำมาใช้งาน กลายเป็นของเสียที่จะต้องทิ้งไป ระบบ ORC เป็นระบบที่ใช้สำหรับผลิตไฟฟ้าจากแหล่งความร้อนที่มีศักยภาพต่ำหรืออุณหภูมิต่ำเหล่านี้ ถึงจะมีประสิทธิความร้อนภาพต่ำแต่ได้นำพลังงานเหล่านี้มาใช้ได้แทนที่จะทิ้งไปทั้งหมด

การเลือกประเภทของไหลที่จะใช้กับวงจร ORC มีปัจจัยหลายประการที่จะต้องคำนึงถึง ที่สำคัญคือประสิทธิภาพความร้อนของวงจรและราคาต้นทุนของอุปกรณ์ วงจร ORC สำหรับของไหลมีหลายประเภท ประเภทที่ให้ประสิทธิภาพความร้อนสูงคือ o2 ซึ่งใช้กับของไหลแบบระฆังเอียง วงจรนี้สามารถใช้ IHE หรือไม่ใช้ IHE ก็ได้ สำหรับแหล่งความร้อนศักยภาพต่ำอาจไม่ต้องใช้ IHE เพื่อลดต้นทุนถ้าประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นน้อย ทั้งนี้ต้องเปรียบเทียบทางเศรษฐศาตร์ในการออกแบบด้วย

การเลือกประเภทของไหลที่จะใช้กับระบบ ORC มีความสำคัญมาก จึงควรทำการศึกษาให้ละเอียดก่อนที่จะตัดสินใจ เพราะการเปลี่ยนแปลงประเภทของไหลภายหลังเท่ากับจะต้องออกแบบระบบใหม่ทั้งหมด และควรศึกษาของไหลใหม่ที่สามารถนำมาใช้ได้เพื่อการพัฒนาระบบ ORC ในอนาคต

เอกสารอ้างอิง

1. Lars J. Brasz, William M. Bilbow: Ranking of Working Fluids for Organic Rankine Cycle Applications: International Refrigeration and Air Conditioning Conference, School of Mechanical Engineering, Purdue University, Purdue e-Pubs

2. Bahaa Saleh, Gerald Koglbauer, Martin Wendland, Johann Fischer: Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles: Institut für Verfahrens und Energietechnik, Universität für Bodenkultur, Muthgasse 107, A-1190 Wien, Austria Received 19 October 2005: Energy 32 (2007) 1210–1221 ScienceDirect

Yiping Dai, Jiangfeng Wang *, Lin Gao; Parametric optimization and comparative study of organic Rankine cycle (ORC) for low grade waste heat recovery; Institute of Turbomachinery, Xi’an Jiao Tong University, Energy Conversion and Management 50 (2009) 576–582,Contents lists available at ScienceDirect