ORC, ORGANIC RANKINE CYCLE

ORC คือระบบการผลิตไฟฟ้าขนาดเล็ก ทำงานที่อุณหภูมิและความดันต่ำ ใช้พลังงานทางเลือกจากแสงอาทิตย์ เชื้อเพลิงชีวมวลจากของเหลือการเกษตร ความร้อนจากไอเสียของเครื่องจักร หม้อไอน้ำ เป็นเทคโนโลยีที่สามารถพัฒนาใช้ในประเทศได้ สามารถจัดหาอุปกรณ์ที่ใช้ได้ง่ายสามารถหาได้ในประเทศ

วงจรแรงกิ้น Rankine cycle คือวงจรการทำงานเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าซึ่งถ้าเป็นโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่จะใช้น้ำเป็นสารสำหรับหมุนเวียนในวงจรซึ่งต้องใช้อุณหภูมิและความดันสูงและใช้เชื้อเพลิงธรรมชาติ ส่วนORCใช้กับโรงไฟฟ้าขนาดเล็ก มีวงจรการทำงานแบบวงจรแรงกิ้นเช่นเดียวกัน แต่ใช้สารออแกนิกแทนน้ำ(Organic คือสารที่ประกอบด้วยคาร์บอน เช่นไฮโดรคาร์บอนและสารทำความเย็น) ทำให้มีความดันและอุณหภูมิต่ำ ต้นทุนพลังงานต่ำ อุปกรณ์ถูก แม้ประสิทธิภาพน้อย แต่ต้นทุนพลังงานที่ต่ำทำให้คุ้มค่าการลงทุนได้เร็ว เหมาะสำหรับใช้พลังงานทางเลือก และความร้อนสูญเสีย

วงจรแรนกิ้น(Rankine Cycle)

รูปที่ 1.แสดงวงจรการทำงานเบื้องต้นของวงจรแรนกิ้น ด้านซ้ายเป็นอุปกรณ์ประกอบด้วยเครื่องสูบทำหน้าที่สร้างความดันให้น้ำจากจุดที่ 1. ไปจุดที่ 2. เพื่อเอาชนะความดันตกที่อุปกรณ์อื่นๆทำให้น้ำสามารถเคลื่อนที่ตลอดทั้งวงจร อีวาปอเรเตอร์หรือหม้อน้ำให้ความร้อนแก่น้ำจากที่จุด 2. เพื่อให้เปลี่ยนสถานะเป็นไอน้ำยิ่งยวด 3. ก่อนเข้าเทอร์ไบน์ซึ่งจะแปลงพลังงานของไอน้ำเป็นหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ไอน้ำที่ออกจากเทอร์ไบน์ 4.จะมีอุณหภูมิและความดันลดลง คอนเดนเซอร์จะระบายความร้อนจากไอน้ำจนเปลี่ยนสถานะเป็นน้ำ 1. เข้าสู่เครื่องสูบน้ำ

รูปที่ 1.ขวาเป็นแผนภูมิอุณหภูมิและเอ็นโทรปีแสดงการทำงานวงจรแรนกิ้น น้ำมีความสัมพันธ์ของอุณหภูมิและเอ็นโทรปีเป็นรูประฆังคว่ำ ไอน้ำที่เข้าเทอร์ไบน์ต้องเป็นไอน้ำยิ่งยวด 3. ไม่ให้น้ำในเทอร์ไบน์กลั่นตัวไม่ให้ใบของเทอร์ไบน์สึกหรอ จึงทำให้ต้องใช้อุณหภูมิสูงขึ้น

รูปที่ 1. วงจรการทำงานของวงจรแรนกิ้น (Rankine cycle)

การทำงานของเทอร์ไบน์.ในทางทฤษฎีเป็น Isentropic process หรือมีเอ็นโทรปีคงที่ แต่ในความเป็นจริงจะมีความสูญเสียเกิดขึ้นทำให้ประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงพลังงานน้อยกว่า 1 ตามรูปที่ 2. ไอน้ำที่ออกจากเทอร์ไบน์จะเอียงไปด้านที่มีอุณหภูมิสูงขึ้นที่ความดันออกจากเทอร์ไบน์ตามรูปที่ 2. โดยมีประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์ตามสมการที่ 1.

รูปที่ 2. แผนภูมิอุณหภูมิและเอ็นโทรปีแสดงการทำงานของเทอร์ไบน์

η turbine = (h1 - h2) / (h1 - h2s) (1)

การทำงานของเครื่องสูบน้ำก็มีลักษณะเดียวกันกับการทำงานของเทอร์ไบน์ตามรูปที่ 3. ซึ่งตามความเป็นจริงเครื่องสูบน้ำจะมีพลังงานสูญเสียเป็นความร้อนทำให้อุณหภูมิน้ำที่ออกจากเครื่องสูบน้ำสูงขึ้นจากทฤษฐีโดยมีความดันเท่ากับความดันน้ำที่ออกจากเครื่องสูบน้ำ โดยมีประสิทธิภาพเครื่องสูบน้ำตามสมการที่ 2.

รูปที่ 3. แผนภูมิอุณหภูมิและเอ็นโทรปีแสดงการทำงานของเครื่องสูบน้ำ

η pump = (h1 - h2) / (h1 - h2s) (2)

รูปที่ 4.แก้ไขแผนภูมิการทำงานของวงจรแรนกิ้น อุณหภูมิไอน้ำที่ออกจากเทอร์ไบน์ 4.จะสูงกว่าอุณหภูมิน้ำที่ด้านออกของเครื่องสูบน้ำ2.จึงสามารถใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนถ่ายเทความร้อนระหว่างกันเพื่อลดความร้อนสูญเสียที่คอนเดนเซอร์ได้ นอกจากนี้ฐานระฆังกว้างทำให้ต้องระบายความร้อนมากมีความร้อนสูญเสียมาก การเพิ่มประสิทธิภาพจึงต้องยกความดันให้สูงขึ้นเพื่อให้ได้กำลังจากเทอร์ไบน์มากขึ้น จึงมีระบบความดันเหนืออุณหภูมิวิกฤติ (Super-critical) เพื่อให้มีประสิทธิภาพสูงสุด โรงไฟฟ้าใช้ไอน้ำขนาดใหญ่ที่มีความดันต่ำกว่าความดันวิกฤติมีประสิทธิภาพสูงกว่า 30% และโรงไฟฟ้าความดันเหนือความดันวิกฤติประสิทธิภาพ 40%

รูปที่ 4. วงจรการทำงานของจริงของวงจรแรนกิ้น

รูปที่ 5. แสดงขนาดและประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าของโรงไฟฟ้าแบบต่างๆ โรงไฟฟ้าที่ใช้ไอน้ำจะมีขนาดตั้งแต่ 1 MW ขึ้นไปเนื่องจากมีขนาดใหญ่จึงสามารถลงทุนเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพได้มาก ส่วนระบบ ORC สามารถใช้ผลิตไฟฟ้าได้ระหว่าง 200 kW- 2 MW โดยมีประสิทธิภาพ 10-15%

รูปที่ 5. กำลังการผลิตไฟฟ้าและประสิทธิภาพของระบบผลิตไฟฟ้า

วงจรระบบ ORC

ORC ใช้สารออแกนิก แทนน้ำเพื่อให้ใช้กับแหล่งความร้อนอุณหภูมิต่ำ ทำให้สามารถใช้ความร้อนจากพลังงานทางเลือกเช่นแสงอาทิตย์ ความร้อนสูญเสียจากขบวนการผลิตทางอุตสาหกรรม การเผาไหม้เชื้อเพลิงชีวมวล ความร้อนใต้พิภพเป็นต้น ก๊าซที่ออกจากเอ็กซ์แปนเดอร์จะมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิของไหลที่ออกจากเครื่องสูบของไหลจึงสามารถใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนจากก๊าซที่ออกจากเอ็กซ์แปนเดอร์ไปอุ่นของเหลวที่ออกจากเครื่องสูบเพื่อลดความร้อนสูญเสียที่คอนเดนเซอร์และลดการใช้ความร้อนจากแหล่งความร้อน วงจรมาตรฐานของระบบ ORC จึงเป็นไปตามรูปที่ 6.

รูปที่ 6. วงจรการทำงานมาตรฐานของระบบ ORC

เทอร์ไบน์ในวงจรแรนกิ้นเรียกว่าเอ็กซ์แปนเดอร์(Expander) เนื่องจากมีความดันต่ำจึงใช้เครื่องต้นกำลังชนิดอื่นๆที่ไม่ใช่เทอร์ไบน์ทดแทน ทำให้มีราคาถูกลง และเพิ่มอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนเป็นมาตรฐานเพื่อให้มีประสิทธิภาพของวงจรสูงขึ้น สารออแกนิกมีความสัมพันธ์ของอุณหภูมิและเอนโทรปีอยู่ 2 แบบ ตามรูปที่ 7.ซ้ายมือมีความสัมพันธ์เป็นรูประฆังคว่ำ และขวามีความสัมพันธ์เป็นระฆังเอียง ความแตกต่างที่สำคัญคือแบบระฆังคว่ำต้องการอุณหภูมิสูงยิ่งยวด(superheat temperature) ที่จุด4.เพื่อไม่ให้เกิดของเหลวในเอ็กซ์แปนด์เดอร์ ในขณะที่ระฆังเอียงใช้อุณหภูมิไออิ่มตัว(Saturate temperature) ที่จุด3.ได้ และนอกจากนี้ช่วงระบายความร้อนฐานระฆังคว่ำจะมากกว่าของระฆังเอียงด้านขวามือ ทำให้มีความร้อนสูญเสียที่คอนเดนเซอร์มากกว่าด้านขวามือ

รูปที่ 7. วงจรการทำงานของระบบ ORC บนแผนภูมิอุณหภูมิและเอ็นโทรปีของสารแบบต่างๆ

จากรูปที่ 6. และรูปที่ 7. อุณหภูมิไอที่ออกจากเอ็กซ์แปนเดอร์4. ใช้แลกเปลี่ยนความร้อนกับของเหลวที่ออกจากเครื่องสูบ2. ช่วยลดการสูญเสียความร้อนที่ต้องทิ้งที่คอนเดนเซอร์(h4-h4a) และลดความร้อนที่ต้องให้ของเหลวในจำนวนเท่ากัน(h2a-h2)โดยสามารถคำนวณประสิทธิภาพทั้งสิ้นของวงจรได้โดยใช้สมการที่ 3.

ηT = Output/Input = ((h4-h3)-(h2-h1))/(h1-h2a) (3)

แนวทางการใช้ระบบ ORC

ORC สามารถใช้กับแหล่งความร้อนที่มีคุณภาพต่ำลงจากเชื้อเพลิงชีวภาพ เชื้อเพลิงชีวมวล และพลังงานทางเลือกได้แก่รังสีอาทิตย์ พลังงานใต้พิภพ และความร้อนสูญเสียจากอุตสาหกรรมต่างๆ ตารางที่ 1.แสดงรายชื่อผู้ผลิตระบบ ORC และข้อมูลของระบบที่ผลิต ได้แก่ ประเภทของงานที่ใช้ ขนาดกำลังผลิตซึ่งเป็นการผลิตไฟฟ้าขนาดจิ๋ว (Micro-power 50 kWe-2 MWe) อุณหภูมิที่ใช้ >83 - 400ซ และมูลค่าโดยประมาณของระบบ $1800 - 2857/kW ซึ่งสามารถใช้เป็นข้อมูลเบื้องต้นสำหรับการพิจารณาทางด้านเศรษฐศาสตร์ได้

ตารางที่ 1. ผู้ผลิตและข้อมุลระบบORC

OMTS, OCTAMETHYLTRISILOXANE(C8H24O2Si3)

เพื่อให้เข้าใจการใช้งานระบบ ORC มากยิ่งขึ้น ต่อไปเป็นตัวอย่างการใช้ระบบ ORC ผลิตไฟฟ้าจากเชื้อเพลิงชีวมวล รูปที่ 8 เป็นระบบ ORC ผลิตโดย Turboden ประเทศอิตาลี ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์มาตรฐาน สามารถยกไปประกอบ ณ. สถานที่ติดตั้งได้

รูปที่ 8. เครื่อง ORC ซึ่งผลิตโดย Turboden ผลิตขนาดมาตรฐานเพื่อนำไปประกอบ ณ. สถานที่ติดตั้ง

รูปที่ 9. ด้านซ้ายเป็นวงจรการทำงานของระบบ ORC ที่ใช้กับเชื้อเพลิงชีวมวล ซึ่งจะใช้น้ำมันความร้อน (Thermal oil) เป็นตัวกลางรับความร้อนจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงชีวมวลมายังอีวาปอเรเตอร์ของวงจรอีกทอดหนึ่ง เพื่อป้องกันการรั่วของท่อของไหลในวงจร เนื่องจากการผุกร่อนหรือการสึกกร่อนจากสารที่เกิดจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงชีวมวล หรือถ้าเกิดการรั่วไหลของก๊าซร้อนเข้าไปในระบบก็จะทำให้เกิดความเสียหายแก่อุปกรณ์ที่มีราคาแพง ด้านขวาเป็นแผนภูมิการทำงานของความร้อน น้ำมันความร้อน และของไหลของระบบ

รูปที่ 9. ตัวอย่างวงจรการทำงานของระบบ ORC ที่ใช้กับเชื้อเพลิงชีวมวลและแผนภูมิอธิบายการทำงานของระบบ

อุณหภูมิก๊าซร้อนจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงชีวมวลมีอุณหภูมิ 1000ซ จะมีค่าลดลงเป็นเส้นตรงเมื่อถ่ายเทความร้อนให้น้ำมันความร้อน น้ำมันความร้อนก็จะอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงเมื่อได้รับความร้อนจากก๊าซร้อนและมีอุณหภูมิลดลงเป็นเส้นตรงเช่นเดียวกันเมื่อถ่ายเทความร้อนให้กับของไหลในระบบ แต่ของไหลในระบบจะมีอุณหภูมิคงที่อยู่ในช่วงที่เปลี่ยนสถานะ ประสิทธิภาพในการดึงความร้อนสูงสุด 72% ประสิทธิภาพความร้อนสูงสุด 25% และประสิทธิภาพความร้อนจริง 12%

รูปที่ 10. ตัวอย่างการทำงานของวงจร ORC สำหรับการนำก๊าซไอเสียจากหม้อไอน้ำป็นแหล่งความร้อน

วงจร ตามรูปที่ 10. เป็นตัวอย่าง ORC ซึ่งใช้ความร้อนจากไอเสียของหม้อไอน้ำ โดยใช้เครื่องสูบน้ำมันความร้อนส่งไปรับความร้อนจากไอเสียจากหม้อน้ำแล้วกลับมาถ่ายความร้อนให้ของไหลของวงจรที่อีวาปอเรเตอร์ ของไหลจะกลายเป็นไอที่ความดันสูงมาขับเอ็กซ์แปนเดอร์ หม้อไอน้ำจึงสามารถเพิ่มประสิทธิภาพความร้อนได้เนื่องจากสามารถใช้ความร้อนสูญเสียมาทำให้เกิดไฟฟ้าได้มากขึ้น หลังจากนั้นของไหลจะถ่ายเทควมร้อนที่เหลือให้อุปกรร์แลกเปลี่ยนความร้อน (Recuporator) แล้วมาระบายความร้อนกลายเป็นของเหลวที่คอนเดนเซอร์ เครื่องสูบของไหลจะสร้างความดันส่งของไหลกลับไปที่ที่อีวาปอเรเตอร์โดยผ่านอุปกรณ์อุ่นของเหลวด้วยไอเสีย (Economiser) และอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน แล้วจึงวนไปรับความร้อนที่อีวาปอเรเตอร์

การใช้ระบบ ORC กับงานแบบอื่นก็จะมีแนวทางการออกแบบและอุปกรณ์ต่างกันออกไป เช่นช่วงอุณหภูมิแหล่งความร้อน เป็นต้น รวมทั้งประเภทของไหลที่ใช้ก็จะเปลี่ยนไปได้ตามการออกแบบ สำหรับการใช้เชื้อเพลิงชีวมวลหรือการใช้ก๊าซชีวภาพ สามารถควบคุมการเผาไหม้ได้มีความร้อนสม่ำเสมอ แต่การใช้ความร้อนสูญเสียจากกระบวนการทางอุตสาหกรรมหรือจากธรรมชาติ เช่นพลังงานจากรังสีอาทิตย์ มีแหล่งพลังงานที่ควบคุมไม่ได้ แนวทางการออกแบบจึงแตกต่างไปจากระบบที่ใช้สำหรับกับเชื้อเพลิงชีวมวล ต้องเปลี่ยนประเภทของไหลและต้องมีอุปกรณ์พิเศษ ได้แก่อุปกรณ์เก็บความร้อนสำหรับใช้เสริมการทำงาน เป็นต้น ซึ่งจะอธิบายเป็นลำดับต่อไป

การเลือกประเภทของไหล

สารออแกนิก มีโมเลกุลใหญ่กว่าน้ำ เมื่อใช้หมุนเอ็กซ์แปนเดอร์ ทำให้ได้ประสิทธิภาพมากกว่าไอน้ำหมุนเทอร์ไบน์เนื่องจากมีการรั่วผ่านใบน้อยกว่า และมีประสิทธิภาพช่วงภาระน้อยที่สูงกว่าน้ำ การเลือกประเภทของไหลมีข้อควรพิจารณาดังต่อไปนี้

1. มีความเสถียร ไม่เสื่อมสภาพที่สภาพการใช้งานโดยเฉพาะที่อุณหภูมิแหล่งความร้อน และไม่แข็งตัว

2. ให้ประสิทธิภาพความร้อนของระบบสูงที่สุดในช่วงอุณหภูมิของแหล่งความร้อนและอุณหภูมิที่ใช้ระบายความร้อน ได้กำลังจากเอ็กซ์แปนเดอร์มากที่สุดและใช้ไฟฟ้าที่เครื่องสูบน้อยที่สุด

3. มีความหนาแน่นไอสูงเพื่อให้เครื่องเอ็กซ์แปนเดอร์ และคอนเดนเซอร์ มีขนาดเล็ก

4. มีความดันต่ำเพื่อให้มีราคาและความซับซ้อนของระบบน้อยลง

5. มีความสัมพันธ์ของอุณหภูมิและเอ็นโทรปีเป็นรูประฆังเอียง เมื่อไออิ่มตัวผ่านเอ็กซ์แปนเดอร์ไม่เกิดของเหลวใน Expander ซึ่งจะทำให้ใบเกิดการสึกหลอ และเมื่อออกจากเอ็กซ์แปนเดอร์จะเป็นไอยิ่งยวดสามารถใช้ให้ความร้อนแก่ของเหลวจากเครื่องสูบได้

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

7. สามารถจัดหาได้ง่าย และมีราคาเหมาะสม

รูปที่ 11. แผนภูมิความสัมพันธ์ของอุณหภูมิและเอ็นโทรปีของน้ำ ไซโครเฮกเซน (Cyclohexane) และ R-245fa

จากรูปที่ 11. ของไหลแต่ละชนิดจะมีอุณหภูมิวิกฤตต่างกัน จึงเหมาะกับการใช้งานต่างประเภทกัน ตารางที่ 2. สรุปผลการศึกษาวิจัยเรื่องของไหลที่เหมาะสมกับวงจรระบบ ORC สำหรับงานประเภทต่างๆที่ข่วงอุณหภูมิต่างๆกัน และตารางที่ 3. สรุปของไหลที่เหมาะสมจะใช้กับงานประเภทต่างๆจากตารางที่ 2.

ตารางที่ 2. แหล่งความร้อนและของไหลที่ใช้ในระบบ ORC จากการศึกษาวิจัย

ตารางที่ 3. สรุปของไหลที่ใช้สำหรับระบบ ORC จากตารางที่ 2.

ของไหลอีกชนิดหนึ่ง ที่น่าสนใจ สำหรับใช้กับระบบ ORC จากตารางที่ 1 ได้แก่ MDM หรือ OMTS (OCTAMETHYLTRISILOXANE, C8H24O2Si3) ซึ่งจะเหมาะสมกับงานที่ต้องการใช้ทั้งความร้อนและผลิตไฟฟ้าซึ่งเรียกว่า CHP(Combine heat and power) มีคุณสมบัติตามตารางที่ 4. และรูปที่ 12 แต่ไม่มีอ้างถึงในตารางที่ 3. ซึ่งมีช่วงเอ็นโทรปีแตกต่างน้อยมาก จึงมีความร้อนทิ้งที่คอนเดนเซอร์น้อยด้วย

ตารางที่ 4. คุณสมบัติของ MDM หรือ OMTS (OCTAMETHYLTRISILOXANE, C8H24O2Si3)

รูปที่ 12. แผนภูมิความสัมพันธ์ของอุณหภูมิและเอ็นโทรปีของ MDMหรือ OMTS (OCTAMETHYLTRISILOXANE, C8H24O2Si3)

ซึ่งทั้งหมดนี้เป็นเพียงข้อแนะนำ ควรทำการศึกษาเพิ่มเติมและคำนวณประสิทธิภาพความร้อนเพื่อเปรียบเทียบ ก่อนที่จะเลือกใช้ของไหลประเภทใดๆเพื่อให้ได้ประโยชน์สูงสุดตามหลักการเลือกประเภทของไหลที่อธิบายไว้ข้างต้น

อีวาปอเรเตอร์(Evaporator)

สารตัวกลางมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพความร้อนของระบบ สามารถใช้ปรับประสิทธิภาพและใช้เป็นสารเก็บความร้อนได้ด้วย การส่งความร้อนเข้าสู่อีวาปอเรเตอร์โดยตรงอาจทำให้เกิดการผุกร่อนหรือสึกกร่อนที่ระบบท่อของอีวาปอเรเตอร์เนื่องจากสารที่เกิดจากการเผาไหม้และทำให้เกิดการรั่วไหลของของไหลของระบบ ORC หรือถ้าเกิดการรั่วไหลเข้าไปในระบบก็จะทำให้เกิดความเสียหายแก่อุปกรณ์ที่มีราคาแพง ถ้าแหล่งความร้อนมีความเข้มน้อย ต้องใช้พื้นที่อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนมากเพื่อใช้การแลกเปลี่ยนความร้อนได้แก่ รังสีอาทิตย์ การใช้ของไหลในระบบ ORC มาเก็บความร้อนโดยตรงจะทำให้ต้องใช้ของไหลเป็นปริมาณมากทำให้มีต้นทุนสูงและมีความเสี่ยงของการรั่วไหลมากยิ่งขึ้น

อีวาปอเรเตอร์อาจเป็นอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนได้หลายประเภทได้แก่ ท่อในท่อ(Tube-in-tube) ท่อและหลอด (Shell and tube) ท่อในถัง(Tube in shell) และอื่นๆตามความเหมาะสม ส่วนน้ำมันความร้อนจะใช้หม้อต้มน้ำมันความร้อน(Hot oil generator) และสำหรับรังสีอาทิตย์อาจเป็นแผงรังสีอาทิตย์แบบแผ่น(Plate collector) แบบหลอดสุญญากาศ(Vacuum tube collector) และอื่นๆ

รูปที่ 13. ผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของระบบ ORC เนื่องจากประเภทของตัวกลางส่งความร้อน

การเลือกประเภทตัวกลางมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพของระบบ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของตัวกลางจะกระทบต่ออุณหภูมิของอีวาปอเรเตอร์ตามรูปที่ 13. ที่อุณหภูมิแหล่งความร้อนค่าเดียวกัน รูป 13.ก. อัตราการลดอุณหภูมิของตัวกลางมีค่าน้อยตามเส้นบนสุด ทำให้สามารถใช้อุณหภูมิอีวาปอเรเตอร์สูงได้ถึง 109ซ เอ็กซ์แปนเดอร์ ให้กำลังได้ 28.522kW และมีความร้อน (จุด 6-7) แลกเปลี่ยน ให้ของเหลว(จุด 1-2) มากขึ้นทำให้ประสิทธิภาพความร้อนสูงถึง12.5% รูปที่ 13.ข. มีอัตราการลดอุณหภูมิของตัวกลางมากทำให้อุณหภูมิอีวาปอเรเตอร์ถูกบังคับให้น้อยลงเหลือ 78.21oซ และเป็นวงจรที่ไม่มีอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน ประสิทธิภาพความร้อนจึงลดลงเหลือ 7.828% แต่สามารถให้กำลังได้มากขึ้นเป็น 71.273kW เนื่องจากที่ความร้อนเท่ากันสามารถใช้อัตราการไหลได้มากกว่า และอุณหภูมิที่ด้านคอนเดนเซอร์ต่ำกว่าได้ และรูปที่ 13.ค. เหมือนกับรูปที่ 13.ข. แต่เป็นวงจรที่มีอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนทำให้มีประสิทธิภาพความร้อนสูงขึ้นเป็น 8.944% แต่ได้กำลังน้อยลงเป็น 67.888kW จากอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนที่ต้องการอุณหภูมิของไหลออกจากเอ็กซ์แปนเดอร์สูงขึ้นเพื่อใช้แลกเปลี่ยนความร้อน ในกรณีที่ใช้ระบบ ORC กับงานที่แหล่งความร้อนไม่มีต้นทุนเช่นแหล่งความร้อนของระบบเป็นความร้อนสูญเสีย ประสิทธิภาพความร้อนของระบบจึงไม่สำคัญเท่ากำลังที่ได้จากระบบ กรณีเช่นนี้จึงเป็นตัวอย่างที่ดีของการวิเคราะห์การทำงานของระบบเพื่อให้ได้ประโยชน์สูงสุด

เอ็กซ์แปนเดอร์ (Expander)

เครื่องต้นกำลังสำหรับ ORC คือเอ็กซ์แปนเดอร์ การทำงานของเอ็กซ์แปนเดอร์จึงมีผลโดยตรงกับประสิทธิภาพความร้อนของระบบ เอ็กซ์แปนเดอร์มีสองแบบเช่นเดียวกับคอมเพรสเซอร์คือแบบพลวัต (dynamic) และแบบอัด (displacement) เอ็กซ์แปนเดอร์แบบอัดเหมาะสำหรับระบบขนาดเล็กเนื่องจากต้องการอัตราการไหลน้อย อัตราส่วนความดันสูง และความเร็วรอบต่ำกว่าแบบพลวัต เนื่องจากระบบ ORC เป็นระบบผลิตฟ้าขนาดเล็ก เอ็กซ์แปนเดอร์จึงใช้แบบอัดมากกว่าแบบพลวัต

ตารางที่ 5.แสดงผลการวิจัยประสิทธิภาพของเอ็กซ์แปนเดอร์แบบต่างๆ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นการนำคอมเพรสเซอร์มาดัดแปลงใช้ ซึ่งทั้งหมดเป็นเอ็กซ์แปนเดอร์แบบอัด ประสิทธิภาพจากผลการศึกษาวิจัยมีช่วงกว้างมาก อาจเกิดจากการดัดแปลงซึ่งไม่ได้ทำในลักษณะเดียวกันหรือสภาพการใช้งานซึ่งไม่เหมือนกัน จึงต้องทำการทดลองสำหรับแต่ละงานเป็นกรณีๆไป

ตารางที่ 5. การวิจัยประสิทธิภาพของเอ็กซ์แปนเดอร์แบบต่างๆ

รูปที่ 14. การทำงานของอ็กซ์แปนเดอร์แบบหลายใบ (Rotary Multi-Vane)

เอ็กซ์แปนเดอร์แบบหลายใบดัดแปลงจากคอมเพรสเตอร์แบบโรตารีสำหรับงานปรับอากาศ แต่มีการทำงานกลับทางกัน ประกอบด้วยใบซึ่งวางในร่องของโรเตอร์ ตัวเรือนซึ่งวางเยื้องศูนย์กับโรเตอร์ ใบจะถูกสปริงในร่องดันให้ชิดกับตัวเรือนตลอดเวลา ใบของเอ็กซ์แปนเดอร์จะไถลตามร่องของโรเตอร์ตามระยะระหว่างโรเตอร์และตัวเรือน เอ็กซ์แปนเดอร์ทำงานตามรูปที่ 14. จากซ้ายไปขวา ของไหลในสภาพก๊าซร้อนจะดันใบทำให้โรเตอร์หมุนและขยายตัวออกทางด้านตรงข้ามของทางเข้า การเคลื่อนที่ไปทางด้านเดียวทำให้เกิดแรงลุนไปทางเดียว และมีการสั่นสะเทือนน้อยเนื่องจากจำนวนใบช่วยลดปริมาณของไหลในระหว่างช่วงใบ

รูปที่ 15. การทำงานของอ็กซ์แปนเดอร์แบบสกรู (Screw expander)

เอ็กซ์แปนเดอร์แบบสกรูดัดแปลงมาจากคอมเพรสเซอร์แบบสกรูที่ใช้ในเครื่องอัดอากาศ เครื่องเย็นและเครื่องทำน้ำเย็นในระบบปรับอากาศ การทำงานจะย้อนกลับจากการอัดตามรูปที่ 15. ของไหลในสภาพก๊าซร้อนจะดันสกูรให้หมุนและในขณะเดียวกันของไหลจะขยายตัวตามปริมาตรที่อยู่ระหว่างช่วงการขบของฟันสกรูที่มีปริมาตรมากขึ้นจากทางเข้าไปทางด้านทางออกของเอ็กซ์แปนเดอร์

รูปที่ 16. การทำงานของจีโรเตอร์ (Gerotor, Generate rotor)

เอ็กซ์แปนเดอร์แบบจีโรเตอร์ดัดแปลงมาจากเครื่องสูบน้ำมันเชื้อเพลิง น้ำมันหล่อลื่น ประกอบด้วยตัวหมุนสองชุด ชุดในมี 4ยอด ชุดนอกมี 5 หลุม(ชุดในมียอดน้อยกว่าหลุมน้อยกว่าหลุมของชุดนอก 1 ชุด) ชุดในจะเยื้องศูนย์กับชุดนอกเล็กน้อย สังเกตุจุดที่ชุดนอกและชุดใน เมื่อชุดนอกชุดในจะถูกบังคับให้หมุนตามแต่จะเลื่อนขยับเป็นความเร็วเชิงมุมมากกว่าตามรูปที่ 16. และปริมาตรจะเพิ่มมากขึ้นสูงสุดก่อนที่จะลดลงจนกลับมาที่เดิมจึงใช้เป็นเอ็กซ์แปนเดอร์ได้ ตัวหมุนมี 4 ยอดเหมือนกับมีลูกสูบ 4 ชุด

รูปที่ 17.การทำงานของเอ็กซ์แปนเดอร์แบบสโครว (Scroll expander)

เอ็กซ์แปนเดอร์แบบสโครวดัดแปลงมาจากคอมเพรสเซอร์แบบสโครวของเครื่องปรับอากาศซึ่งมีใช้อย่างแพร่หลาย มีประสิทธิภาพดี การไหลของของไหลทำได้เกือบสม่ำเสมอ(ทุก1/4รอบ) มีประสิทธิภาพเชิงปริมาตรสูง สามารถปรับความเร็วรอบได้จึงใช้ต่อตรงกับเครื่องปั่นไฟ เกิดการสั่นสะเทือนน้อย การบำรุงรักษาจึงน้อย มีอายุการใช้งานที่ดี และที่สำคัญคือมีราคาถูกและเป็นอุปกรณ์ที่มีคุณภาพ(จากปริมาณการผลิตมหาศาลสำหรับงานปรับอากาศ) แต่เนื่องจากดัดแปลงมาจากคอมเพรสเซอร์งานปรับอากาศจึงใช้กับอุณหภูมิได้ไม่สูงนัก

เอ็กซ์แปนเดอร์แบบสโครวประกอบด้วยใบเป็นก้นหอย 2ชุด ชุดหนึ่งอยู่คงที่อีกชุดหนึ่งติดตั้งบนแกนที่เยื้องศูนย์เมื่อแกนหมุนทำให้ใบรูดไปตามใบที่คงที่ รูปที่ 17. แสดงการทำงานตามลำดับจากซ้ายไปขวา ของไหลในสภาพก๊าซร้อนไหลเข้าตรงกลางระหว่างใบทั้งสองและผลักให้ใบที่ติดกับแกนเคลื่อนที่ไปบนใบชุดที่คงที่ทำให้เกิดการหมุนและของไหลจะขยายตัวมาออกที่ด้านข้าง

ปัญหาของเอ็กซ์แปนเดอร์แบบอัดคือการหล่อลื่น น้ำมันหล่อลื่นจะสัมผัสกับของไหล และถูกของไหลพาออกไปทำให้เอ็กซ์แปนเดอร์ขาดการหล่อลื่นที่ดีและเกิดการสึกหรอ จึงต้องมีอุปกรณ์แยกเก็บน้ำมันหล่อลื่นที่ทางออกเพื่อนำกลับมาใช้เพื่อลดปัญหาเรื่องการสึกกร่อนและเพื่อประสิทธิภาพของการแลกเปลี่ยนความร้อนของอุปกรณ์ในระบบ และอุณหภูมิใช้งานซึ่งออกแบบไว้ม่สูงนัก เมื่อนำมาใช้กับอุณหภูมิที่สูงกว่าจะเกิดการขยายตัวทำให้มีการเสียดสีมากขึ้นเกิดการสึกหรอมากขึ้น

การระบายความร้อนที่คอนเดนเซอร์

อุณหภูมิที่คอนเดนเซอร์มีผลต่อประสิทธิภาพความร้อนของระบบ ORC สภาวะอากาศของเราทั้งอุณหภูมิอากาศ ความชื้น ฝุ่นละออง ฝน ทำให้ประสิทธิภาพความร้อนของระบบ ORC ของเราจึงต่ำกว่าในประเทศที่มีอากาศหนาว การระบายความร้อนของเราควรใช้หอผึ่งน้ำ(Cooling tower) ซึ่งจะทำให้ระบายความร้อนได้ดีขึ้นโดยมีน้ำเป็นตัวกลางอีกทีหนึ่งทำให้มีอุณหภูมิแตกต่างเนื่องจากการถ่ายเทความร้อนจากน้ำมาที่ของไหลอีกทอด และที่ดีที่สุดคือหอผึ่งน้ำแบบระเหย (Evaporative cooling tower) ซึ่งจะใช้น้ำฉีดไปบนท่อของไหลโดยตรงทำให้ได้อุณหภูมิที่ต่ำกว่าหอผึ่งน้ำธรรมดา แต่ก็อาจมีปัญหาเรื่องการผุกร่อนเนื่องจากคุณภาพน้ำซึ่งจะต้องพิจารณาตามความเหมาะสม

เครื่องสูบของไหล

เครื่องสูบของไหลมีผลต่อประสิทธิภาพความร้อนของระบบ ORC ขนาดของเครื่องสูบฯที่เหมาะสมคือส่งของไหลได้ตามอัตราการไหลที่ต้องการ(จากการออกแบบ) และความดันที่ถูกต้อง และการเลือกเครื่องสูบฯให้มีประสิทธิภาพสูงสุดที่จุดใช้งาน จะทำให้ใช้พลังงานที่เครื่องสูบฯน้อย วงจรก็จะมีประสิทธิภาพสูงสุดด้วย เครื่องสูบฯที่ใช้อาจเป็นแบบแรงเหวี่ยง (Centrifugal pump) ในกรณีที่ต้องการอัตราการไหลมาก แบบไดอะแฟรมซ้อน (Double diaphragm pumps) เพื่อป้องกันการรั่วของของไหล และแบบอื่นๆตามความเหมาะสม

บทส่งท้าย

ระบบ ORC เป็นเทคโนโลยีที่เหมาะสำหรับการใช้กับพลังงานทางเลือกเช่นรังสีอาทิตย์ ถึงจะมีประสิทธิภาพต่ำแต่ก็สามารถช่วยลดการใช้เชื้อเพลิงธรรมชาติได้จึงช่วยยืดอายุปริมาณเชื้อเพลิงสำรองในธรรมชาติ ช่วยลดการเกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากการเผาไหม้เชื้อเพลิงธรรมชาติ แม้การใช้เชื้อเพลิงชีวมวลและก๊าซชีวภาพในระบบ ORC ทำให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มากกว่าโรงไฟฟ้าเนื่องจากประสิทธิภาพความร้อนต่ำ แต่ถ้าไม่ใช้เชื้อเพลิงเหล่านี้ ปล่อยให้เน่าเปื่อยผุพังตามธรรมชาติจะทำให้เกิดก๊าซมีเทนซึ่งมีค่า GWP มากกว่าก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และสำหรับเชื้อเพลิงชีวมวลสามารถปลูกใหม่ทดแทนช่วยเก็บก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์โดยธรรมชาติแทนได้

เนื่องจากระบบ ORC ใช้กับอุณหภูมิที่ไม่สูงจึงเหมาะสำหรับการใช้ความร้อนสูญเสีย ทั้งจากเครื่องจักร เครื่องยนต์ และอื่นๆ แม้แต่ในรถยนต์ไฮบริดก็มีแนวทางพัฒนาใช้ระบบ ORC ด้วยความร้อนจากไอเสียเครื่องยนต์เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าชาร์ตแบตเตอร์รีของรถยนต์ในช่วงใช้เครื่องยนต์ ช่วยลดความร้อนสูญเสียซึ่งเท่ากับการเพิ่มประสิทธิภาพความร้อนของเครื่องยนต์อีกด้วย ในอนาคตอาจจะมีวิธีการใช้ระบบ ORC เพิ่มมากขึ้นจึงควรทราบหลักการทำงานและแนวทางทีจะพัฒนาการใช้เป็นเทคโนโลยีของตนเองและลดราคาต้นทุนลงได้ซึ่งจะเป็นประโยชน์ทางเศรษฐกิจของประเทศ และประโยชน์ต่อสิ่งแวดล้อมของโลกในอนาคต

เอกสารอ้างอิง

1. Asfia Nishat: Organic Rankine Cycle –An Effective Way to Recover Low Temperature Heat for Power Generation: Member ASHRAE: Proceedings of International Conference on Energy and Sustainability – 2013, NED University of Engineering & Technology, Karachi, Pakistan.

2. Hartmut Spliethoff, Andreas Schuster, Institute for Energy Systems Technische Universität München: The Organic Rankine Cycle –Power Production from Low Temperature Heat: Electricity generation, combined heat and power Strasbourg, 14 -16 September 2006

3. 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

4. Sylvain Quoilin and Vincent Lemort: Technological and Economical Survey of Organic Rankine Cycle Systems: Thermodynamics Laboratory University of Liège, Campus du Sart Tilman B49, B-4000 Liège, BELGIUM: 5th EUROPEAN CONFERENCE, ECONOMICS AND MANAGEMENT OF ENERGY IN INDUSTRY

5. Peter Arvay, Michael R. Muller, Vishana Ramdeen, Rutgers University,Glenn Cunningham, Tennessee Tech University: Economic Implementation of the Organic Rankine Cycle in Industry: ©2011 ACEEE Summer Study on Energy Efficiency in Industry

6. 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