top of page

ORC, ORGANIC RANKINE CYCLE

  • Writer: ปรเมธ ประเสริฐยิ่ง
    ปรเมธ ประเสริฐยิ่ง
  • May 25, 2020
  • 4 min read

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)

ree

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

รูปที่ 2. แผนภูมิอุณหภูมิและเอ็นโทรปีแสดงการทำงานของเทอร์ไบน์

ree

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

การทำงานของเครื่องสูบน้ำก็มีลักษณะเดียวกันกับการทำงานของเทอร์ไบน์ตามรูปที่ 3. ซึ่งตามความเป็นจริงเครื่องสูบน้ำจะมีพลังงานสูญเสียเป็นความร้อนทำให้อุณหภูมิน้ำที่ออกจากเครื่องสูบน้ำสูงขึ้นจากทฤษฐีโดยมีความดันเท่ากับความดันน้ำที่ออกจากเครื่องสูบน้ำ โดยมีประสิทธิภาพเครื่องสูบน้ำตามสมการที่ 2.

รูปที่ 3. แผนภูมิอุณหภูมิและเอ็นโทรปีแสดงการทำงานของเครื่องสูบน้ำ

ree

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

ree

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

รูปที่ 5. กำลังการผลิตไฟฟ้าและประสิทธิภาพของระบบผลิตไฟฟ้า

ree

วงจรระบบ ORC

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

รูปที่ 6. วงจรการทำงานมาตรฐานของระบบ ORC

ree

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

ree

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

ree

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

ree

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

รูปที่ 9. ตัวอย่างวงจรการทำงานของระบบ ORC ที่ใช้กับเชื้อเพลิงชีวมวลและแผนภูมิอธิบายการทำงานของระบบ

ree

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

รูปที่ 10. ตัวอย่างการทำงานของวงจร ORC สำหรับการนำก๊าซไอเสียจากหม้อไอน้ำป็นแหล่งความร้อน

ree

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

ree

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

ตารางที่ 2. แหล่งความร้อนและของไหลที่ใช้ในระบบ ORC จากการศึกษาวิจัย

ree

ตารางที่ 3. สรุปของไหลที่ใช้สำหรับระบบ ORC จากตารางที่ 2.

ree

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)

ree

รูปที่ 12. แผนภูมิความสัมพันธ์ของอุณหภูมิและเอ็นโทรปีของ MDMหรือ OMTS (OCTAMETHYLTRISILOXANE, C8H24O2Si3)

ree

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

ree

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

ree

รูปที่ 14. การทำงานของอ็กซ์แปนเดอร์แบบหลายใบ (Rotary Multi-Vane)

ree

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

รูปที่ 15. การทำงานของอ็กซ์แปนเดอร์แบบสกรู (Screw expander)

ree

เอ็กซ์แปนเดอร์แบบสกรูดัดแปลงมาจากคอมเพรสเซอร์แบบสกรูที่ใช้ในเครื่องอัดอากาศ เครื่องเย็นและเครื่องทำน้ำเย็นในระบบปรับอากาศ การทำงานจะย้อนกลับจากการอัดตามรูปที่ 15. ของไหลในสภาพก๊าซร้อนจะดันสกูรให้หมุนและในขณะเดียวกันของไหลจะขยายตัวตามปริมาตรที่อยู่ระหว่างช่วงการขบของฟันสกรูที่มีปริมาตรมากขึ้นจากทางเข้าไปทางด้านทางออกของเอ็กซ์แปนเดอร์

รูปที่ 16. การทำงานของจีโรเตอร์ (Gerotor, Generate rotor)

ree

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)

ree

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

Comments


Subscribe to Parameth Prasertying newsletter

เพื่อติดตามและไม่พลาดบทความใหม่ๆ

Thanks for submitting!

  • Twitter
  • Facebook
  • Linkedin

© 2023 by BrainStorm. Proudly created with Wix.com

bottom of page