วัฏจักรทรานส์คริติคอลเป็นวัฏจักรทางเทอร์โมไดนามิก แบบปิด ที่ของเหลวทำงานผ่านทั้งสถานะต่ำกว่าวิกฤตและสูงกว่าวิกฤต โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับ วัฏจักรพลังงานของเหลวทำงานจะคงอยู่ใน สถานะ ของเหลวในระหว่างเฟสการอัด และอยู่ใน สถานะ ไอและ/หรือสูงกว่าวิกฤตในระหว่างเฟสการขยายตัว วัฏจักรแรงไคน์ไอน้ำอัลตร้าซูเปอร์คริติคอลแสดงถึงวัฏจักรทรานส์คริติคอลที่แพร่หลายใน ด้าน การผลิตไฟฟ้าจากเชื้อเพลิงฟอสซิลโดยใช้น้ำเป็นของเหลวทำงาน^{[ 1 ]}การใช้งานทั่วไปอื่นๆ ของวัฏจักรทรานส์คริติคอลเพื่อวัตถุประสงค์ในการผลิตพลังงาน ได้แก่วัฏจักรแรงไคน์อินทรีย์ [ ^{2 ] ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการ ใช้}ประโยชน์จากแหล่งความร้อนอุณหภูมิต่ำ เช่นพลังงานความร้อนใต้พิภพ [ ^{3 ] การ} ใช้งานการ กู้คืนความร้อน^{[ 4 ]}หรือโรงงานผลิตพลังงานจากของเสีย^{[ 5 ]}เมื่อเทียบกับวัฏจักรต่ำกว่าวิกฤต วัฏจักรทรานส์คริติคอลใช้ประโยชน์จากอัตราส่วนความดัน ที่สูงกว่าตามนิยาม ซึ่งเป็นคุณลักษณะที่ให้ประสิทธิภาพ สูงกว่า สำหรับของเหลวทำงาน ส่วนใหญ่ ใน ที่สุด เมื่อพิจารณาวัฏจักรเหนือวิกฤตเป็นทางเลือกที่ถูกต้องแทนวัฏจักรเหนือวิกฤต วัฏจักรหลังสามารถบรรลุผลงานเฉพาะที่สูงขึ้นได้เนื่องจากความสำคัญสัมพัทธ์ที่จำกัดของงานการอัด^{[ 6 ]}สิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพสูงสุดของวัฏจักรเหนือวิกฤตเพื่อจุดประสงค์ในการผลิตพลังงานสูงสุด (วัดได้ในแง่ของผลงานเฉพาะของวัฏจักร) ด้วยค่าใช้จ่ายน้อยที่สุด (วัดได้ในแง่ของพลังงานที่ใช้ในการอัดของไหลทำงาน)

ในขณะที่ในวงจรซูเปอร์คริติคอลระดับเดียว ระดับความดันทั้งสองจะอยู่เหนือความดันวิกฤต ของสารทำงาน ในวงจรทรานส์คริติคอล ระดับความดันหนึ่งจะอยู่เหนือความดันวิกฤตและอีก _{ระดับ}หนึ่งจะต่ำกว่า ในสาขาการทำความเย็นคาร์บอนไดออกไซด์ CO2 ได้รับการพิจารณามากขึ้นเรื่อยๆ ว่าเป็น สารทำความเย็นที่น่าสนใจ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

ในวัฏจักรทรานส์คริติคอล ความดันของของเหลวทำงานที่ทางออกของปั๊มจะสูงกว่าความดันวิกฤต ในขณะที่สภาวะขาเข้าจะใกล้เคียงกับ ความดัน ของของเหลวอิ่มตัวที่อุณหภูมิต่ำสุดที่กำหนด

ในระหว่างขั้นตอนการให้ความร้อน ซึ่งโดยทั่วไปถือเป็นกระบวนการความ ดันคง ที่ ของเหลวทำงานจะเอาชนะอุณหภูมิวิกฤตทำให้เปลี่ยนจากสถานะของเหลวไปเป็นสถานะเหนือวิกฤตโดยไม่มี กระบวนการ ระเหยเกิด ขึ้น ซึ่งเป็นความแตกต่างที่สำคัญระหว่างวัฏจักรแบบต่ำกว่าวิกฤตและแบบเหนือวิกฤต^{[ 11 ]}เนื่องจากความแตกต่างที่สำคัญนี้ในขั้นตอนการให้ความร้อน การฉีดความร้อนเข้าไปในวัฏจักรจึงมีประสิทธิภาพมากขึ้นอย่างเห็นได้ชัดจาก มุมมอง ของกฎข้อที่สองเนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยระหว่างแหล่งความร้อนและของเหลวทำงานลดลง^{[ 12 ]}

ด้วยเหตุนี้ อุณหภูมิสูงสุดที่แหล่งความเย็นเข้าถึงได้จึงอาจสูงขึ้นเมื่อลักษณะของแหล่งความร้อนคงที่ ดังนั้น กระบวนการ ขยายตัว จึงสามารถเกิดขึ้นได้โดยใช้อัตราส่วนความดันที่สูงขึ้น ซึ่งส่งผลให้การผลิตพลังงานสูงขึ้น วงจร Rankineอัลตร้าซูเปอร์คริติคอลสมัยใหม่สามารถเข้าถึงอุณหภูมิสูงสุดถึง 620°C โดยใช้กระบวนการนำความร้อนที่เหมาะสมที่สุด^{[ 13 ]}

เช่นเดียวกับวงจรพลังงานใดๆ ตัวบ่งชี้ที่สำคัญที่สุดของประสิทธิภาพคือประสิทธิภาพเชิงความร้อนประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวงจรทรานส์คริติคอลคำนวณได้ดังนี้:

${\displaystyle \eta _{cycle}={\frac {W_{Cycle}}{Q_{in}}}}$

โดยที่คือพลังงานความร้อนที่ป้อนเข้าสู่ระบบ ซึ่งอาจได้มาจากการเผาไหม้หรือจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนและคือกำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้จากระบบ ${\displaystyle Q_{in}}$${\displaystyle W_{Cycle}}$

กำลังที่ผลิตได้นั้น หมายรวมถึงกำลังที่ผลิตได้ในระหว่างกระบวนการขยายตัวของของเหลวทำงานและกำลังที่ใช้ไปในขั้นตอน การอัด

การกำหนดค่าเชิงแนวคิดทั่วไปของวัฏจักรทรานส์คริติคอลใช้ฮีตเตอร์ตัวเดียว^{[ 14 ] [ 15 ]}เนื่องจากไม่มีการเปลี่ยนแปลงเฟส อย่างรุนแรง จากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง โดยที่ความดันอยู่เหนือค่าวิกฤต ในทางกลับกัน ในวัฏจักรซับคริติคอล กระบวนการให้ความร้อนของของเหลวทำงานเกิดขึ้นในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน สามแบบที่แตกต่างกัน : ^{[ 16 ]}ในอีโคโนไมเซอร์ของเหลวทำงานจะถูกให้ความร้อน (ในขณะที่ยังคงอยู่ในสถานะของเหลว) จนถึงสภาวะที่ใกล้เคียงกับสภาวะของเหลวอิ่มตัวเครื่องระเหยจะทำให้กระบวนการระเหยของของเหลวเกิดขึ้น (โดยทั่วไปจนถึงสภาวะไออิ่มตัว) และใน ซูเปอร์ฮี ตเตอร์ของเหลวทำงานจะถูกให้ความร้อนจากสภาวะไออิ่มตัวไปเป็นไอร้อนยิ่งยวดยิ่งไปกว่านั้น การใช้วัฏจักรแรงไคน์เป็นวัฏจักรล่างในบริบทของวัฏจักรแก๊ส-ไอน้ำแบบผสมจะรักษารูปแบบของวัฏจักรก่อนหน้านี้ให้เป็นซับคริติคอลเสมอ ดังนั้น จะมีระดับความดันหลายระดับ และด้วยเหตุนี้จึงมีเครื่องระเหย อีโคโนไมเซอร์ และซูเปอร์ฮีตเตอร์หลายตัว ซึ่งทำให้กระบวนการฉีดความร้อนในวัฏจักรมีความซับซ้อนมากขึ้น^{[ 17 ]}

ตาม กระบวนการ อะเดียแบติกและไอเซนโทรปิกเช่น กระบวนการที่เกี่ยวข้องทางทฤษฎีกับ กระบวนการ สูบน้ำในวัฏจักรทรานส์คริติคอล ความแตกต่างของเอนทาลปีระหว่างการอัดและการขยายตัวจะคำนวณได้ดังนี้:

${\displaystyle \Delta h=\int _{Pmin}^{Pmax}v\cdot dP}$

ด้วยเหตุนี้ ของเหลวทำงานที่มีปริมาตรจำเพาะ ต่ำกว่า (จึงมีความหนาแน่น สูงกว่า ) จึงสามารถถูกอัดได้โดยใช้พลังงานเชิงกลน้อยกว่าของเหลวที่มีความหนาแน่นต่ำ ( มีลักษณะคล้าย แก๊ส มากกว่า ) อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

ในวัฏจักรทรานส์คริติคอล ความดันสูงสุดที่สูงมากและสภาวะของเหลวตลอดช่วงการอัดจะทำให้มีความหนาแน่นสูงกว่าและปริมาตรจำเพาะต่ำกว่าเมื่อเทียบกับวัฏจักรซูเปอร์คริติคอล เนื่องจากกระบวนการอัดเกิดขึ้นในสถานะทางกายภาพที่แตกต่างกัน วัฏจักรทรานส์คริติคอลและซูเปอร์คริติคอลจึงใช้ปั๊ม (สำหรับของเหลว) และคอมเพรสเซอร์ (สำหรับก๊าซ) ตามลำดับ ในขั้นตอนการอัด

ในขั้นตอนการขยายตัวของสารทำงานในวัฏจักรทรานส์คริติคอล เช่นเดียวกับในวัฏจักรซับคริติคอล สารทำงานสามารถถูกปล่อยออกมาได้ทั้งในสภาวะเปียกหรือแห้ง

โดยทั่วไป การขยายตัวแบบแห้งมักเกี่ยวข้องกับของเหลวทำงานอินทรีย์หรือ ของเหลวทำงาน ที่ไม่ธรรมดา อื่นๆ ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือมีความซับซ้อนทางโมเลกุลที่ไม่น้อยและมีน้ำหนักโมเลกุลสูง

ขั้นตอนการขยายตัวเกิดขึ้นในกังหัน : ขึ้นอยู่กับการใช้งานและกำลังการผลิตที่ระบุไว้ของโรงไฟฟ้า ทั้งกังหันแบบแกนหมุนและกังหันแบบรัศมีสามารถนำมาใช้ในการขยายตัวของของเหลวได้ กังหันแบบแกนหมุนเหมาะสำหรับความเร็วรอบต่ำและกำลังการผลิตสูง ในขณะที่กังหันแบบรัศมีเหมาะสำหรับกำลังการผลิตที่จำกัดและความเร็วรอบสูง

วงจรอินทรีย์เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานที่มีเอนทาลปีต่ำ และมีลักษณะเฉพาะคือความหนาแน่นเฉลี่ยที่สูงกว่าในเครื่องขยายเมื่อเทียบกับที่เกิดขึ้นในวงจรไอน้ำแบบทรานส์คริติคอล ด้วยเหตุนี้จึงมักออกแบบความสูงของใบพัดให้ต่ำ^{[ 18 ]}และอัตราการไหลเชิงปริมาตรจะถูกจำกัดไว้ที่ค่าค่อนข้างน้อย ในทางกลับกัน ในสถานการณ์การใช้งานขนาดใหญ่ ใบพัดของเครื่องขยายมักจะมีความสูงเกินหนึ่งเมตรและถูกนำไปใช้ในวงจรไอน้ำ อันที่จริงแล้ว ความหนาแน่นของของเหลวที่ทางออกของขั้นตอนการขยายตัวสุดท้ายนั้นต่ำมาก

โดยทั่วไปแล้ว การทำงานเฉพาะของวัฏจักรจะแสดงออกมาได้ดังนี้:

${\displaystyle w_{Cycle}={\frac {Power_{expansion}-Power_{compression}}{{\dot {m}}_{compression}}}}$

แม้ว่าปริมาณงานจำเพาะของวัฏจักรใดๆ จะขึ้นอยู่กับสารทำงานที่ใช้ในวัฏจักรนั้นอย่างมาก แต่โดยทั่วไปแล้ววัฏจักรเหนือจุดวิกฤตมักมีปริมาณงานจำเพาะสูงกว่าวัฏจักรใต้จุดวิกฤตและเหนือจุดวิกฤตที่ใช้สารทำงานชนิดเดียวกัน ด้วยเหตุนี้ ภายใต้เงื่อนไขขอบเขตคงที่ กำลังที่ผลิตได้ และสารทำงานที่กำหนดไว้อัตราการไหลของมวลในวัฏจักรเหนือจุดวิกฤตจึงคาดว่าจะต่ำกว่าในรูปแบบอื่นๆ

ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวัฏจักรแรงไคน์เพิ่มขึ้นอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานขนาดใหญ่ที่ใช้ถ่านหิน เป็นเชื้อเพลิง สำหรับโรงไฟฟ้าเหล่านี้ การประยุกต์ใช้โครงสร้างแบบอัลตร้าซูเปอร์คริติคอลเป็นปัจจัยหลักในการบรรลุเป้าหมาย เนื่องจากอัตราส่วนความดันที่สูงขึ้นช่วยให้ประสิทธิภาพของวัฏจักรสูงขึ้น

การเพิ่มประสิทธิภาพเชิงความร้อนของโรงไฟฟ้าที่ใช้เชื้อเพลิงสกปรกกลายเป็นสิ่งสำคัญในการลดการปล่อยมลพิษเฉพาะของโรงไฟฟ้า ทั้งในแง่ของก๊าซเรือนกระจกและมลพิษเช่นซัลเฟอร์ไดออกไซด์หรือNOx ในการใช้งานขนาดใหญ่ วงจร Rankine แบบอัลตร้าซูเปอร์คริติคอลใช้ เครื่องทำความร้อนน้ำป้อนมากถึง 10 เครื่องโดย 5 เครื่องอยู่ด้านแรงดันสูงและ 5 เครื่องอยู่ด้านแรงดันต่ำ รวมถึงเครื่องกำจัดอากาศซึ่งช่วยเพิ่มอุณหภูมิที่ทางเข้าของหม้อไอน้ำได้ถึง 300°C ทำให้สามารถอุ่นอากาศล่วงหน้า ได้อย่างมีนัยสำคัญ จึงช่วยลดการใช้เชื้อเพลิง การศึกษาเกี่ยวกับการกำหนดค่าที่มีประสิทธิภาพดีที่สุดของวงจร Rankine แบบซูเปอร์คริติคอล (แรงดันสูงสุด 300 บาร์ อุณหภูมิสูงสุด 600°C และการอุ่นซ้ำ 2 ครั้ง) แสดงให้เห็นว่ารูปแบบดังกล่าวสามารถบรรลุประสิทธิภาพของวงจรได้สูงกว่า 50% สูงกว่าการกำหนดค่าแบบซับคริติคอลประมาณ 6% ^{[ 19 ]}

วงจร Rankine แบบอินทรีย์เป็นวงจรพลังงานนวัตกรรมที่ช่วยให้มีประสิทธิภาพที่ดีสำหรับแหล่งความร้อนที่มีเอนทาลปีต่ำ^{[ 20 ]}และรับประกันการควบแน่นเหนือความดันบรรยากาศ จึงหลีกเลี่ยงเครื่องกำจัดอากาศและพื้นที่หน้าตัดขนาดใหญ่ในหน่วยระบายความร้อนยิ่งไปกว่านั้น เมื่อเทียบกับวงจร Rankine แบบไอน้ำ ORC มีความยืดหยุ่นสูงกว่าในการจัดการขนาดพลังงานต่ำ ทำให้มีขนาดกะทัดรัดอย่างมาก การใช้งานทั่วไปของ ORC ได้แก่โรงงานกู้คืนความร้อนเหลือทิ้งโรงงานพลังงานความร้อน ใต้ พิภพโรงงานชีวมวลและ โรง ไฟฟ้า พลังงานจากของเสีย

วงจร Rankine อินทรีย์ใช้ของเหลวอินทรีย์ (เช่นไฮโดรคาร์บอน เพ อร์ฟลูออ โรคาร์บอน คลอโรฟลูออโรคาร์บอนและอื่นๆ อีกมากมาย) เป็นของเหลวทำงาน^{[ 21 ]}ส่วนใหญ่มีอุณหภูมิวิกฤตอยู่ในช่วง 100-200°C ^{[ 22 ]}ด้วยเหตุนี้จึงสามารถปรับใช้กับวงจรทรานส์คริติคอลได้อย่างสมบูรณ์แบบในการใช้งานที่อุณหภูมิต่ำ^{[ 23 ]} เมื่อพิจารณาของเหลวอินทรีย์ การมีแรงดันสูงสุดที่สูงกว่าค่าวิกฤตสามารถเพิ่มความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างกังหันได้มากกว่าสองเท่า เมื่อเทียบกับแบบซับคริติคอล และเพิ่มทั้งงานเฉพาะวงจรและประสิทธิภาพของวงจรอย่างมีนัยสำคัญ

วงจรทำความเย็นหรือที่รู้จักกันในชื่อปั๊มความร้อน เป็นวงจรเทอร์โมไดนามิกที่ช่วยให้สามารถดึงความร้อนออกจากแหล่งความร้อนที่ มีอุณหภูมิต่ำ และถ่ายเทความร้อนไปยังแหล่งความร้อนที่มีอุณหภูมิสูงได้ โดยอาศัยการใช้พลังงานเชิงกล^{[ 24 ]}วงจรทำความเย็นแบบดั้งเดิมเป็นแบบต่ำกว่าวิกฤต โดยด้านความดันสูง (ที่เกิดการถ่ายเทความร้อน) อยู่ต่ำกว่าความดันวิกฤต^{[ 25 ]}

ในทางกลับกัน วงจรทำความเย็นแบบทรานส์คริติคอลที่ล้ำสมัย ควรใช้สารทำงานที่มีอุณหภูมิวิกฤตอยู่ใกล้เคียงกับอุณหภูมิแวดล้อม ด้วยเหตุนี้ จึง เลือกใช้ คาร์บอนไดออกไซด์เนื่องจากมีสภาวะวิกฤตที่เหมาะสม อันที่จริงจุดวิกฤตของคาร์บอนไดออกไซด์อยู่ที่ 31°C ซึ่งอยู่ระหว่างแหล่งความร้อนและแหล่งความเย็นของการใช้งานทำความเย็นแบบดั้งเดิม จึงเหมาะสมสำหรับการใช้งานแบบทรานส์คริติคอล

ในวงจรทำความเย็นแบบทรานส์คริติคอล ความร้อนจะถูกระบายออกผ่านตัวระบายความร้อนแก๊สแทนที่จะเป็นตัวลดอุณหภูมิและคอนเดนเซอร์^{[ 26 ]}เหมือนในวงจรซับคริติคอล ซึ่งจำกัดส่วนประกอบของโรงงาน ความซับซ้อนของโรงงาน และต้นทุนของบล็อกพลังงาน

ข้อดีของการใช้คาร์บอนไดออกไซด์ในสภาวะวิกฤตยิ่งยวดเป็นสารทำงานแทนสารทำความเย็นแบบดั้งเดิม (เช่นHFCหรือHFO ) ในวงจรทำความเย็นนั้นมีทั้งด้านเศรษฐกิจและด้านสิ่งแวดล้อม ต้นทุนของคาร์บอนไดออกไซด์ต่ำกว่าสารทำความเย็นทั่วไปถึงสองลำดับขนาด และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของคาร์บอนไดออกไซด์มีจำกัดมาก (โดยมีค่า GWPเท่ากับ 1 และค่า ODPเท่ากับ 0) ของเหลวนี้ไม่ทำปฏิกิริยาและไม่เป็นพิษอย่างมีนัยสำคัญ ไม่มีสารทำงานอื่นใดสำหรับการทำความเย็นที่สามารถมีคุณสมบัติที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมได้เทียบเท่ากับคาร์บอนไดออกไซด์^{[ 27 ]}

• 
  แผนภาพ Ts ของปั๊มความร้อนแบบทรานส์คริติคอล: แหล่งความเย็น (สีเหลือง), แหล่งความร้อน (สีแดง), วงจรทรานส์คริติคอล (สีน้ำเงิน)
• 
  วงจรทำความเย็นแบบต่ำกว่าจุดวิกฤต ซึ่งการระบายความร้อนเกิดขึ้นที่ความดันต่ำกว่าจุดวิกฤต