A Kalina-ciklus egy termodinamikai körfolyamat, mely hőenergiát alakít át mechanikai munkává. A ciklus lényegileg abban különbözik a Rankine-ciklustól, hogy víz helyett olyan munkaközeget használ, amely megfelelően választott két vagy több folyadék nem azeotróp elegyéből áll. Azeotróp elegy olyan elegy, melynek alkotói desztillációval nem választhatók szét. A gyakorlatban a víz-ammónia elegy jön számításba.
Története A Kalina-ciklust Alekszander I. Kalina dolgozta ki. Kalina korábban szovjet állami energiagazdálkodási hivatalnok volt, első közleményei a róla elnevezett körfolyamatról már több mint húsz évvel ezelőtt láttak napvilágot. Kalina 1978-ban emigrált Moszkvából az Amerikai Egyesült Államokba, ahol jelenleg is él és dolgozik.The New York Times, 1986. február 4. "Steam System May Improve Power Plants"
Megvalósított erőművek Kashima, Japán. Az 1998 óta üzemelő erőmű a Sumitomo acélmű hulladékhőjét hasznosítja. A frissgőz hőmérséklet 98 °C, az erőmű teljesítménye 3,1 MW.Power Engineering, 2002. február Husavik geotermikus erőmű, Izland északnyugati részén. A 2 MW teljesítményű fűtőerőmű 90 kilogramm, 120 °C hőmérsékletű termálvizet használ fel másodpercentként. A kilépő 80 °C hőmérsékletű vízzel lakásokat fűtenek. A 2000-ben üzembehelyezett erőművet az Exorka International Limited cég építette.http://www.exorka.com/kalina-cycle.html
A körfolyamat bélyegkép|341px|1. ábra. Ammónia-víz elegy T-s diagramja (a) és fázisgörbéje (b). A vörös görbe egy izobár (p=const) görbe. I. túlhevített gőz II. nedves gőz III. folyadék
Az 1. ábra hőmérséklet-entrópia diagramjából látható, hogy egy adott nyomáson a folyadék elgőzölgése nem állandó hőmérsékleten megy végbe, mint az például a víznél vagy más egynemű folyadéknál történik, hanem minden relatív nedvességtartalomhoz más-más hőmérséklet tartozik. (A nedves gőz állandó nyomású - izobár - állapotváltozásának diagramja nem vízszintes egyenes, mint a vízgőznél, hanem ferde egyenes.) Ez a tény azért jelent előnyt, mert a gőzfejlesztés veszteségei úgy csökkenthetők, ha a mindenkori hőmérsékletkülönbséget a fűtő közeg (például füstgáz, forró víz) és az elgőzölögtendő közeg között mindenütt a lehető legkisebb értéken tartják. A szokásos 70% ammónia - 30% víz elegy esetén számított elméleti hatásfoknövekedés a Rankine-ciklussal szemben 10-20% lehet.
Bár elvileg az ciklus a hagyományos hőerőművek és a kombinált ciklusú (gázturbina + Rankine-ciklus) erőművekben is alkalmazható lenne, a legnagyobb sikere a kis frissgőzparaméterű erőművekben jelentkezett. A hulladékhő hasznosításnál illetve geotermikus erőművekben a veszteségek csökkentése alapvetően fontos abból a célból, hogy a rendszer egyáltalán érdemben működhessen.
bélyegkép|341px|2. ábra. Kalina-ciklust megvalósító geotermikus erőmű egyszerűsített hőkapcsolása
A 2. ábrán egy geotermikus erőmű egyszerűsített Kalina-ciklusának hősémája látható.http://www.ocees.com/mainpages/otec.html OTEC honlapja A forró termálvíz a ponton lép be az 1 elpárologtatóba, ahol az ammónia-víz elegyet részben elgőzölögteti. A nedves gőz a 2 szeparátorba jut, ahol elválik a telített gőztől a folyadék. Az ammóniában feldúsult telített gőz tovább áramlik a 3 gőzturbina felé, a leválasztott meleg víz pedig a 6 hőcserélőben (rekuperátorban) előmelegíti a hideg folyadékelegyet. A turbinába beömlő gőz, miközben expandál a gépben, hőenergiáját leadja, ezt a 4 turbogenerátor elektromos áram termelésére fordítja. A rekuperátorból kilépő vizet a turbinából kilépő nedves gőzbe vezetik, ekkor a keveredés mellett az ammónia abszorpciója is végbemegy, a nedves gőz pedig az 5 ellenáramú kondenzátorban lecsapódik. A kondenzátorba az f-nél lép be és g-nél lép ki a hűtővíz, mely a gőz rejtett hőjét átvéve és így felmelegedve további célokra (pl. fűtés) felhasználható. Ugyanígy a b-nél kilépő lehűlt termálvíz maradék hője is hasznosítható.
Jegyzetek
További információk EBPower előadás EBPower honlap Veszely Károly előadása mikroerőművekről Henry A. Mlcak: Bevezetés a Kalina-ciklusba
Kategória:Termodinamikai körfolyamatok