ไฟฟ้าชุมชน

(1)

ไฟฟ้าชุมชน

O-CT05 ผลของดีกรีรอนยวดยิ่งที่มีตอประสิทธิภาพวัฎจักรแรงคินสารอินทรียชนิดซีโอโทรปก

Effect of Degree of Superheat on Zeotropic Organic Rankine CycleEfficiency ธรณิศวร ดีทายาท^1*,ทะนงเกียรติ เกียรติศิริโรจน²จักรพันธ ถาวรงามยิ่งสกุล³

1สาขาวิศวกรรมพลังงาน บัณฑิตวิทยาลัย มหาวิทยาลัยเชียงใหม

2ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร มหาวิทยาลัยเชียงใหม

3สาขาวิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลลานนาตาก E-mail: [email protected]

บทคัดยอ

งานวิจัยนี้ศึกษาผลของดีกรีรอนยวดยิ่งในเครื่องระเหยของวัฎจักรแรงคินสารอินทรียที่มีตอประสิทธิภาพของวัฎจักร สารทํางานที่ใชเปนสาร R245fa/R152a ซึ่งเปนสารซีโอโทรปก โดยผสมที่สัดสวนตางๆและเปรียบเทียบผลกับวัฎจักรที่ใช R245fa อยางเดียว น้ํารอนอุณหภูมิ 120°C จะเปน แหลงความรอนของวัฎจักร โดยอุณหภูมิเครื่องระเหยของวัฎจักร100°C และดีกรีรอนยวดยิ่งมีคาอยูระหวาง 5-10°C

จากการศึกษาพบวาอัตราการไหลของสารทํางานในระบบมีคาลดลง เมื่อสารทํางานอยูในสภาวะไอรอนยวดยิ่ง โดยจะสงผลใหขนาดของระบบ ORC มีขนาดเล็กลงดวย

สําหรับสารเดี่ยว R245fa สภาวะดีกรีรอนยวดยิ่งกอนเขากังหัน ใหประสิทธิภาพของวัฎจักรไมแตกตางจากกรณีสภาวะไออิ่มตัว แตสําหรับ สารซีโอโทรปกพบวา เมื่อดีกรีรอนยวดยิ่งเพิ่มขึ้น ประสิทธิภาพของวัฎจักรจะเพิ่มขึ้นดวยทั้งนี้เนื่องจากการเพิ่มดีกรีรอนยวดยิ่งของสารผสมจะชวยลด คาสภาพยอนกลับไมได ในขณะที่มีการแลกเปลี่ยนความรอนระหวางน้ํารอนและสารทํางานในเครื่องระเหย

และพบวาเมื่อสัดสวน R152a เพิ่มขึ้น ประสิทธิภาพจะเพิ่มขึ้นดวย แตสัดสวนของ R152a ไมควรเกิน30% เนื่องจากเปนสารที่ติดไฟงายและ คาศักยภาพในการทําใหโลกรอน (GWP) คอนขางสูง

คําสําคัญ: วัฎจักรแรงคินสารอินทรีย,สารทํางานซีโอโทรปก, ดีกรีรอนยวดยิ่ง 1. บทนํา

การผลิตไฟฟาโดยใชวัฎจักรไอน้ํายังเปนวิธีหลักวิธีหนึ่งในปจจุบัน โดยแหลงความรอนสวนใหญมาจากเชื้อเพลิงฟอสซิล ซึ่งกอใหเกิดปญหา ดานสิ่งแวดลอม เชน มลพิษทางอากาศ ไดแก คารบอนไดออกไซค (CO2) คารบอนมอนออกไซค (CO) มีเทน (CH4) ซัลเฟอรไดออกไซค (SO2) และ ไนโตรเจนไดออกไซค (NOx) และการเกิดสภาวะโลกรอน การทําลายชั้นโอโซนและฝนกรด ในระหวางป ค.ศ.2008-2011 [1] พบวาการใชพลังงาน ดานไฟฟามีการปลอยกาซคารบอนไดออกไซดสูงที่สุด ซึ่งกาซดังกลาวเปนสาเหตุหลักของปรากฏการณเรือนกระจก

จากเปาหมายการใชพลังงานทดแทนของประเทศไทย ภายในป ค.ศ.2021 [2] มีการสงเสริมใหชุมชนมีสวนรวมในการผลิตและการใชพลังงาน ทดแทนโดยมีสัดสวนเปน 25% ของการใชพลังงานทั้งหมด รัฐบาลสงเสริมใหมีการผลิตไฟฟาจากแสงอาทิตย, พลังน้ําและชีวมวลคอนขางสูง อีกทั้งยัง มุงเนนผลิตไฟฟาระดับหมูบานใหแกราษฎรที่ไมมีไฟฟาใช โดยสนับสนุนการกอสรางโครงการไฟฟาระดับชุมชน โดยองคกรปกครองสวนทองถิ่นหรือ ชุมชนเจาของพื้นที่มีสวนรวมเปนเจาของโครงการ สามารถบริหารงานและบํารุงรักษาเองไดในอนาคต

วัฏจักรแรงคินสารอินทรีย (Organic Rankine Cycle) ดังรูปที่ 1 เปนอีกทางเลือกหนึ่งที่นาสนใจสําหรับแผนพัฒนาพลังงานทดแทนและ พลังงานทางเลือก เนื่องจากวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย มีระบบโครงสรางเหมือนวัฎจักรแรงคิน (Rankine Cycle) โดยมีลักษณะโครงสรางที่ไมซับซอน และบํารุงรักษางาย มีการใชสารอินทรียที่มีจุดเดือดต่ําเปนสารทํางาน ซึ่งสามารถเปลี่ยนสถานะเปนไออิ่มตัวหรือไอรอนยวดยิ่งเมื่อไดรับความรอนจาก แหลงความรอนอุณหภูมิไมสูงมากทําใหสามารถใชแหลงความรอนไดหลายชนิด เชน พลังงานความรอนใตพิภพ พลังงานจากแสงอาทิตย พลังงานจาก ชีวมวล รวมถึงความรอนทิ้งจากอุตสาหกรรมอีกดวย [3-5]

รูปที่ 1วัฎจักรแรงคินสารอินทรีย

ประสิทธิภาพโดยรวมของวัฎจักรแรงคินสารอินทรียโดยทั่วไปนั้นขึ้นอยูกับอุณหภูมิแหลงความรอนและอุณหภูมิแหลงระบายความรอน สมรรถนะของอุปกรณในวัฎจักรและสมบัติของสารทํางาน ซึ่งวัฎจักรแรงคินสารอินทรียจะใชสารทํางานที่เปนสารเดี่ยวเปนสวนใหญ แตปญหาที่พบ คือ กระบวนการการระเหยและการควบแนนที่เกิดขึ้นในวัฏจักรจะดําเนินตามอุณหภูมิคงที่ ทําใหเสนอุณหภูมิที่แลกเปลี่ยนกันระหวางแหลงความรอน

(2)

ไฟฟ้าชุมชน

และเครื่องทําระเหย หรือแหลงระบายความรอนและเครื่องควบแนนนั้น มีคาแตกตางกันกอใหเกิดคาสภาพยอนกลับไมไดที่เครื่องทําระเหย และเครื่อง ควบแนนขณะที่มีการแลกเปลี่ยนความรอนมีคาสูง ทําใหศักยภาพในการผลิตงานมีคาลดลง

วิธีการหนึ่งซึ่งจะชวยลดคาภาพยอนกลับไมไดคือการใชสารทํางานผสมแบบซีโอโทรปคโดยสารอินทรียผสม ในชวงที่มีการเปลี่ยนเฟส จะมี

อุณหภูมิไมคงที่โดยมีการเลื่อนตัวของอุณหภูมิ ทําใหคาแตกตางระหวางอุณหภูมิของสารทํางานผสมและอุณหภูมิของแหลงความรอนและแหลงระบาย ความรอนที่แลกเปลี่ยนกันในเครื่องระเหยและเครื่องควบแนนใกลเคียงกันมากขึ้น ลดการเกิดคาสภาพยอนกลับไมไดในอุปกรณ ทําใหประสิทธิภาพ รวมของวัฎจักรเพิ่มขึ้น เทียบกับการใชสารเดี่ยวดังรูปที่ 2Chys et al., 2012 [6] ไดศึกษาผลการใชสารผสมเฮกเซน/เพนเทนเปรียบเทียบกับสารเดี่ยว เพนเทนในวัฏจักร ORC พบวาผลของการใชสารผสม จะชวยลดคายอนกลับไมไดขณะที่มีการแลกเปลี่ยนความรอนกันในเครื่องระเหยและเครื่อง ควบแนน ทําใหไดงานสุทธิเพิ่มขึ้นเทียบกับการใชสารเดี่ยว

รูปที่ 2แผนภาพอุณหภูมิ-เอนโทรปที่สภาวะตางๆ เมื่อเปรียบเทียบระหวางของไหลที่เปนสารเดี่ยว (เสนประ) และของไหลที่เปนสารผสม (เสนทึบ)

การเพิ่มประสิทธิภาพวัฎจักรอีกวิธีหนึ่งคือการเพิ่มอุณหภูมิของสารทํางานที่ไดรับความรอนภายในเครื่องระเหย ทําใหสารทํางานเปลี่ยน สถานะเปนไอรอนยวดยิ่งที่มีอุณหภูมิสูงมากขึ้นโดยไมตองเพิ่มความดันภายในเครื่องระเหยสงผลใหงานสุทธิเพิ่มขึ้นดังรูปที่ 3 Magoet al.(2008) [7]

ทําการศึกษาเปรียบเทียบวัฎจักรแรงคินสารอินทรียระหวางสภาวะสารทํางานกอนเขาเทอรเปนไออิ่มตัวและไอรอนยวดยิ่งโดยใชสารทํางานแบบสาร เดี่ยวที่เปนของไหลแหงพบวาเมื่อมีการเพิ่มอุณหภูมิสารทํางานกอนเขาเทอรไบน จนอุณหภูมิกลายเปนไอรอนยวดยิ่ง ประสิทธิภาพเชิงความรอนของ ระบบคอนขางคงที่ หรือคอยๆต่ําลง เมื่อเพิ่มอุณหภูมิทางเขาเทอรไบน

รูปที่ 3แผนภาพอุณหภูมิ-เอนโทรป ของวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย เมื่อสารทํางานที่เปนสารเดี่ยวอยูในสถานะไอรอนยวดยิ่ง

(3)

ไฟฟ้าชุมชน

ในงานวิจัยนี้จึงศึกษาผลของดีกรีรอนยวดยิ่งในเครื่องระเหยของวัฎจักรแรงคินสารอินทรียที่มีตอประสิทธิภาพของวัฎจักร สารทํางานที่ใช

เปนสาร R245fa/R152a ซึ่งเปนสารซีโอโทรปก โดยผสมที่สัดสวนตางๆและเปรียบเทียบผลกับวัฎจักรที่ใช R245fa อยางเดียว น้ํารอนอุณหภูมิ 120°C จะเปนแหลงความรอนของวัฎจักร โดยอุณหภูมิเครื่องระเหยของวัฎจักร100°C และดีกรีรอนยวดยิ่งมีคาอยูระหวาง 5-10°C

2. ทฤษฎี

2.1 วัฏจักรแรงคินสารอินทรีย วัฏจักรแรงคินสารอินทรีย มีระบบโครงสรางเหมือนวัฎจักรแรงคิน (Rankine Cycle) แตมีลักษณะโครงสรางที่

ไมซับซอน ใชสารอินทรียที่มีจุดเดือดต่ําเปนของไหลทํางาน ซึ่งสามารถเปลี่ยนสถานะเปนไออิ่มตัวหรือไอรอนยวดยิ่งเมื่อไดรับความรอนจากแหลง ความรอนอุณหภูมิต่ําเชน พลังงานจากแสงอาทิตย และพลังงานจากชีวมวล วัฏจักรพื้นฐานประกอบไปดวยอุปกรณ 4 ตัว คือ ปม เครื่องระเหย (Evaporator) เทอรไบน(Turbine) และเครื่องควบแนน (Condenser) ดังรูปที่ 1 และแบบจําลองของอุปกรณตางๆ จะพิจารณาจากสมการเทอรโม ไดนามิกสดังตอไปนี้

ปม:

̇ = ^̇ ⁽ ⁾ (1)

̇ = ̇ (ℎ − ℎ ). (2)

เครื่องระเหย:

̇ = ̇ (ℎ − ℎ ). (3)

เทอรไบน:

̇ = ̇ (ℎ − ℎ ) . (4)

เครื่องควบแนน:

̇ = ̇ (ℎ − ℎ ). (5)

ประสิทธิภาพตามกฎขอที่ 1:

= ^̇ _̇ ^̇ . (6)

คาสภาพยอนกลับไมได:

เครื่องระเหย:

= ̇ [(ℎ − ℎ ) − ( − )]- ̇ [(ℎ − ℎ ) − ( − )]. (7) เครื่องควบแนน:

= ̇ [(ℎ − ℎ ) − ( − )]- ̇ [(ℎ − ℎ ) − ( − )].(8)

(4)

ไฟฟ้าชุมชน

ประสิทธิภาพตามกฎขอที่ 2:

= ^{̇ [(} ^{) (} ^)]

̇ [( ) ( )]. (9)

เงื่อนไขของวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย และขอบเขตสําหรับการประมวลผล มีดังนี้

1. อุณหภูมิเครื่องระเหย100°C 2. อุณหภูมิเครื่องควบแนนเทากับ 40°C

3. อุณหภูมิแหลงน้ํารอนเทากับ 120°C อัตราการไหล 5 kg/s 4. ประสิทธิภาพไอเซนโทรปกของเทอรไบนเทากับ 0.8 5. ประสิทธิภาพไอเซนโทรปกของปมเทากับ0.85

6. สมบัติทางเทอรโมไดนามิกส สามารถคํานวณไดจากโปรแกรม REFPROP [8].

7. อุณหภูมิพินช(ΔTPP) ระหวางการแลกเปลี่ยนความรอนที่เครื่องระเหยและเครื่องควบแนนคือ 5^oC and 3^oC ตามลําดับ 8. อัตราสวนผสมของ R245fa/R152a คือ 90/10, 80/20และ 70/30โดยมวล

3. ผลการศึกษา

จากรูปที่ 5, 6และ 7เมื่อทําการประมวลผล พบวาอัตราการไหลของสารทํางานในระบบระหวาง R245fa และ R245fa/R152a ที่สัดสวนตางๆ โดยเปรียบเทียบที่สภาวะของไหลอิ่มตัว, สภาวะดีกรีรอนยวดยิ่ง 5-10°C กอนเขากังหัน พบวาอัตราการไหลของสารทํางานในระบบมีคาลดลง เมื่อสาร ทํางานอยูในสภาวะไอรอนยวดยิ่ง และดีกรีรอนยวดยิ่งเพิ่มมากขึ้น เนื่องจากอุณหภูมิสารทํางานที่สภาวะดีกรีรอนยวดยิ่ง 5-10°C เขาใกลอุณหภูมิ

แหลงความรอนมากขึ้นโดยเมื่ออัตราการไหลของสารทํางานมีปริมาณลดลงจะสงผลใหขนาดของระบบ ORC มีขนาดเล็กลงดวย และเมื่อเทียบเปนงาน จําเพาะหรืองานตอกิโลกรัม จะพบวาสารผสมจะไดงานจําเพาะจากวัฎจักรแรงคินสารอินทรียมากกวาสารเดี่ยว โดยเมื่อดีกรีรอนยวดยิ่งเพิ่มจาก 5°C เปน 10°C ความรอนจําเพาะจะสูงขึ้นดวย สงผลใหประสิทธิภาพตามกฎขอที่ 1 ของสารผสมสูงกวาสารเดี่ยวดวยเชนกัน สําหรับสารเดี่ยว R245fa สภาวะดีกรีรอนยวดยิ่งกอนเขากังหัน ใหประสิทธิภาพตามกฎขอที่ 1 ของวัฎจักรไมแตกตางจากกรณีสภาวะไออิ่มตัว

รูปที่ 5ความสัมพันธระหวางอัตราการไหลของสารทํางานและสารทํางานสัดสวนตางๆ ที่สภาวะของไหลอิ่มตัว, สภาวะดีกรีรอนยวดยิ่ง 5-10°C กอน เขากังหัน

รูปที่ 6ความสัมพันธระหวางงานจําเพาะและสารทํางานสัดสวนตางๆ ที่สภาวะของไหลอิ่มตัว, สภาวะดีกรีรอนยวดยิ่ง 5-10°C กอนเขากังหัน

1.8 2.0 2.2 2.4

70 80 90 100

Mass Flow Rate (kg/s)

Mass Fraction R245fa

saturated Degree Superheat 5ºC Degree Superheat 10ºC

20.0 25.0 30.0 35.0

70 80 90 100

Specific Work (kJ/kg)

(5)

ไฟฟ้าชุมชน

รูปที่ 7ความสัมพันธระหวางประสิทธิภาพของวัฎจักรตามกฎขอที่ 1 และสารทํางานสัดสวนตางๆ ที่สภาวะของไหลอิ่มตัว, สภาวะดีกรีรอนยวดยิ่ง 5- 10°C กอนเขากังหัน

จากรูปที่ 8และ 9ประสิทธิภาพของวัฎจักรตามกฎขอที่ 2 เมื่อเปรียบเทียบระหวาง R245fa และ R245fa/R152a ที่สัดสวนตางๆ พบวาเมื่อมี

การผสม R152a เพิ่มมากขึ้น คาสภาพยอนกลับไมไดในวัฎจักรจะลดลงสงผลใหประสิทธิภาพตามกฎขอที่ 2 เพิ่มขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับสารเดี่ยว เนื่องจากเมื่อสารทํางานอยูในสภาวะไอรอนยวดยิ่ง และดีกรีรอนยวดยิ่งเพิ่มมากขึ้น ประสิทธิภาพก็จะสูงกวาสภาวะไออิ่มตัว เนื่องจากสารผสมมีการ เลื่อนตัวของอุณหภูมิ ทําใหคาแตกตางระหวางอุณหภูมิของสารทํางานผสมและอุณหภูมิของแหลงความรอนและแหลงระบายความรอนที่แลกเปลี่ยน กันในเครื่องระเหยและเครื่องควบแนนใกลเคียงกันมากขึ้นอยางไรก็ตามสัดสวนสารผสม R152a ไมควรเกิน 30% เนื่องจากเปนสารที่ติดไฟงายและคา ศักยภาพในการทําใหโลกรอน (GWP) คอนขางสูง

สําหรับสารเดี่ยว R245fa สภาวะดีกรีรอนยวดยิ่งกอนเขากังหัน ใหประสิทธิภาพตามกฎขอที่ 2 ของวัฎจักรไมแตกตางมากนักจากกรณีสภาวะ ไออิ่มตัว

รูปที่ 8ความสัมพันธระหวางคาสภาพยอนกลับไมไดของวัฎจักร และสารทํางานสัดสวนตางๆ ที่สภาวะของไหลอิ่มตัว, สภาวะดีกรีรอนยวดยิ่ง 5-10°C กอนเขากังหัน

9.5 10.0 10.5 11.0 11.5

70 80 90 100

1stLaw Efficiency

26.0 28.0 30.0 32.0 34.0 36.0 38.0

70 80 90 100

Irreversibilities

(6)

ไฟฟ้าชุมชน

รูปที่ 9ความสัมพันธระหวางประสิทธิภาพของวัฎจักรตามกฎขอที่ 2 และสารทํางานสัดสวนตางๆ ที่สภาวะของไหลอิ่มตัว, สภาวะดีกรีรอนยวดยิ่ง 5- 10°C กอนเขากังหัน

4. สรุปผลการศึกษา

จากการศึกษา พบวาการเพิ่มดีกรีรอนยวดยิ่งในเครื่องระเหยของวัฎจักรแรงคินสารอินทรียที่มีตอประสิทธิภาพของวัฎจักร โดยเฉพาะสาร ทํางานที่ใชเปนสารผสม เชนR245fa/R152a การผสมที่สัดสวนตางๆและเปรียบเทียบผลกับวัฎจักรที่ใช R245faพบวาอัตราการไหลของสารทํางานใน ระบบมีคาลดลง เมื่อสารทํางานอยูในสภาวะไอรอนยวดยิ่ง จะสงผลใหขนาดของระบบ ORC มีขนาดเล็กลงดวย

สําหรับสารผสม เมื่อดีกรีรอนยวดยิ่งเพิ่มมากขึ้น อุณหภูมิสารทํางาน จะเขาใกลอุณหภูมิแหลงความรอนมากขึ้น และประสิทธิภาพของวัฎ จักรจะเพิ่มขึ้นดวย ทั้งนี้เนื่องจากการเพิ่มดีกรีรอนยวดยิ่งของสารผสมจะชวยลดคาสภาพยอนกลับไมได ในขณะที่มีการแลกเปลี่ยนความรอนระหวาง น้ํารอนและสารทํางานในเครื่องระเหย และเมื่อสัดสวน R152a เพิ่มขึ้น ประสิทธิภาพของวัฏจักรเพิ่มขึ้นดวย แตสัดสวนของ R152a ไมควรเกิน 30%

เนื่องจากเปนสารที่ติดไฟงายและคาศักยภาพในการทําใหโลกรอน (GWP) คอนขางสูง

สําหรับสารเดี่ยว R245fa ที่สภาวะดีกรีรอนยวดยิ่งกอนเขากังหัน ประสิทธิภาพของวัฎจักรเพิ่มขึ้นเล็กนอยจากกรณีสภาวะไออิ่มตัว 5. กิตติกรรมประกาศ

ขอขอบคุณบัณฑิตวิทยาลัย มหาวิทยาลัยเชียงใหมและ ศูนยความเปนเลิศดานพลังงานสะอาดและการพัฒนาทรัพยากรธรรมชาติที่ยั่งยืน ภายใตโครงการการพัฒนามหาวิทยาลัยวิจัย มหาวิทยาลัยเชียงใหม

6. บรรณานุกรม

[1] กระทรวงพลังงาน (2554) “แผนพัฒนาพลังงานทดแทน (2554-2573).” http://www.eppo.go.th/encon/ee-20yrs/EEDP_Thai.pdf [2557,7 กรกฎาคม].

[2] กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษพลังงาน (2554)” แผนพัฒนาพลังงานทดแทนและพลังงานทางเลือก 25% ใน 10 ป (2555-2565).”

http://www.dede.go.th/dede/images/stories/aedp25.pdf [2557, 15 มิถุนายน].

[3] Thawonngamyingsakul C., Kiatsiriroat T. Potential of a solar organic Rankine cycle with evacuated-tube solar collectors as heat source for power generation in Thailand. Energy Science and Technology, 4(2), 2012, pp. 25-35.

[4] Hung T. C. Waste Heat Recovery of Organic Rankine Cycle Using Dry Fluids. Energy Conversion and Management, 42, 2001, pp. 539-553.

[5] Drescher U., Bruggemann D. Fluid Selection for the Organic Rankine Cycle (ORC) in Biomass Power and Heat Plants.Applied Thermal Engineering, 27, 2007, pp. 223–228.

[6] Chys M., van de Broek M., Vanslambrouck B., De Paepe M. (2012) “Potential of zeotropic mixtures as working fluids in organic Rankine cycles”, Energy, 44 : 623-632.

[7] Mago P.J., Chamra L.M., Srinivasan K., Somayaji C. (2008) “An examination of regenerative organic Rankine cycles using dry fluids”, Applied Thermal Engineering, 28 : 998-1007.

[8] National Institute of Standard and Technology (NIST). REFPROP Version 9, Thermodynamic Properties of Refrigerants and Refrigerant Mixtures Software. 2013.

44.0 46.0 48.0 50.0 52.0 54.0

70 80 90 100

2ndLaw Efficiency