SISTEMA E MÉTODO PARA CONVERTER ENERGIA TÉRMICA EM TRABALHO
REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS
[001] Este pedido reivindica prioridade para o pedido de patente US 13/212.631, depositado em 18 de agosto de 2011 que reivindica prioridade para o pedido de patente provisório US 61/417.789, depositado em 29 de novembro de 2010, cujos conteúdos de ambos estão incorporados nas suas totalidades pela referência ao presente pedido.
ANTECEDENTES
[002] Calor frequentemente é criado como um subproduto de processos industriais onde fluxos de líquidos, sólidos ou gases que contêm calor devem ser esgotados para o ambiente ou removidos de outro modo do processo em um esforço para manter as temperaturas de operação do equipamento de processo industrial. Algumas vezes o processo industrial pode usar dispositivos de troca de calor para capturar o calor e reciclá-lo de volta para o processo via outros fluxos de processo. Outras vezes não é exequível capturar e reciclar este calor porque ele está com temperatura muito baixa ou não existe dispositivo prontamente disponível para usar diretamente como calor. Este tipo de calor de uma maneira geral é referido como calor “residual”, e tipicamente é descarregado diretamente para o ambiente, por exemplo, através de uma chaminé, ou indiretamente através de um meio de resfriamento, tal como água. Em outras configurações, tal calor está prontamente disponível a partir de fontes renováveis de energia térmica, tais como calor do sol (que pode ser concentrado ou manipulado de outro modo) ou fontes geotérmicas. Estas e outras fontes de energia térmica são pretendidas para estar incluídas na definição de “calor residual”, tal como essa expressão é usada neste documento.
[003] Calor residual pode ser utilizado por sistemas de geradores de turbina que empregam métodos termodinâmicos, tais como o ciclo de Rankine, para converter calor em trabalho. Tipicamente, este método é baseado em vapor, em que o calor residual é usado para criar vapor em uma caldeira para acionar uma turbina. Entretanto, pelo menos uma das desvantagens de um ciclo de Rankine baseado em vapor é sua exigência de alta temperatura, a qual nem sempre é prática uma vez que ele de uma maneira geral exige um fluxo de calor residual de temperatura relativamente alta (600°F (315,55 °C) ou mais, por exemplo) ou um conteúdo de calor total muito grande. Também, a complexidade da água de ebulição em múltiplas pressões/temperaturas para capturar calor em múltiplos níveis de temperatura à medida que o fluxo de fonte de calor é resfriado é cara tanto em custo de equipamento quanto em mão de obra de operação. Além disso, o ciclo de Rankine baseado em vapor não é uma opção realística para fluxos de pequena taxa de fluxo e/ou de baixa temperatura.
[004] O ciclo de Rankine orgânico (ORC) aborda as desvantagens dos ciclos de Rankine baseados em vapor ao substituir água por um fluido de ponto de ebulição mais baixo, tal como um hidrocarboneto leve como propano ou butano, ou um fluido HCFC (por exemplo, R245fa). Entretanto, as restrições de transferência de calor de ebulição permanecem, e novos problemas tais como instabilidade térmica, toxicidade ou inflamabilidade do fluido são adicionados.
[005] Para abordar estas desvantagens, ciclos de energia de CO2 supercrítico têm sido usados. O estado supercrítico do CO2 fornece acoplamento térmico melhorado com múltiplas fontes de calor. Por exemplo, ao usar um fluido supercrítico, os deslizes de temperatura de um trocador de calor de processo podem ser mais prontamente casados. Entretanto, ciclos de energia de CO2 supercrítico de único ciclo operam em uma razão de pressão limitada, limitando assim a quantidade de redução de temperatura, isto é, extração de energia, por meio do dispositivo de conversão de energia (tipicamente uma turbina ou expansor de deslocamento positivo). A razão de pressão é limitada primariamente por causa da alta pressão de vapor do fluido em temperaturas de condensação tipicamente disponíveis (por exemplo, ambiente). Como resultado, a energia de saída máxima que pode ser alcançada de um único estágio de expansão é limitada, e o fluido expandido retém uma quantidade significativa de energia potencialmente utilizável. Embora uma parte desta energia residual possa ser recuperada dentro do ciclo ao usar um trocador de calor como um recuperador, e assim preaquecer o fluido entre a bomba e trocador de calor residual, esta abordagem limita a quantidade de calor que pode ser extraída da fonte de calor residual em um único ciclo.
[006] Desta maneira, existe uma necessidade na técnica de um sistema que possa produzir de forma eficiente e efetiva energia não somente de calor residual, mas também de uma ampla faixa de fontes térmicas.
SUMÁRIO
[007] Modalidades da revelação podem fornecer um sistema para converter energia térmica em trabalho. O sistema pode incluir uma bomba configurada para circular um fluido de trabalho por todo um circuito de fluido de trabalho, o fluido de trabalho sendo separado em um primeiro fluxo de massa e um segundo fluxo de massa a jusante da bomba, e um primeiro trocador de calor acoplado de forma fluídica à bomba e em comunicação térmica com uma fonte de calor, o primeiro trocador de calor sendo configurado para receber o primeiro fluxo de massa e transferir calor da fonte de calor para o primeiro fluxo de massa. O sistema também pode incluir uma primeira turbina acoplada de forma fluídica ao primeiro trocador de calor e configurada para expandir o primeiro fluxo de massa, e um primeiro recuperador acoplado de forma fluídica à primeira turbina e configurado para transferir energia térmica residual do primeiro fluxo de massa descarregado da primeira turbina para o primeiro fluxo de massa direcionado para o primeiro trocador de calor. O sistema pode incluir adicionalmente um segundo trocador de calor acoplado de forma fluídica à bomba e em comunicação térmica com a fonte de calor, o segundo trocador de calor sendo configurado para receber o segundo fluxo de massa e transferir calor da fonte de calor para o segundo fluxo de massa, e uma segunda turbina acoplada de forma fluídica ao segundo trocador de calor e configurada para expandir o segundo fluxo de massa.
[008] Modalidades da revelação podem fornecer adicionalmente um outro sistema para converter energia térmica em trabalho. O sistema adicional pode incluir uma bomba configurada para circular um fluido de trabalho por todo um circuito de fluido de trabalho, o fluido de trabalho sendo separado em um primeiro fluxo de massa e um segundo fluxo de massa a jusante da bomba, um primeiro trocador de calor acoplado de forma fluídica à bomba e em comunicação térmica com uma fonte de calor, o primeiro trocador de calor sendo configurado para receber o primeiro fluxo de massa e transferir calor da fonte de calor para o primeiro fluxo de massa, e uma primeira turbina acoplada de forma fluídica ao primeiro trocador de calor e configurada para expandir o primeiro fluxo de massa.
O sistema também pode incluir um primeiro recuperador acoplado de forma fluídica à primeira turbina e configurado para transferir energia térmica residual do primeiro fluxo de massa descarregado da primeira turbina para o primeiro fluxo de massa direcionado para o primeiro trocador de calor, um segundo trocador de calor acoplado de forma fluídica à bomba e em comunicação térmica com a fonte de calor, o segundo trocador de calor sendo configurado para receber o segundo fluxo de massa e transferir calor da fonte de calor para o segundo fluxo de massa, e uma segunda turbina acoplada de forma fluídica ao segundo trocador de calor e configurada para expandir o segundo fluxo de massa, o segundo fluxo de massa sendo descarregado da segunda turbina e recombinado com o primeiro fluxo de massa para gerar um fluxo de massa combinado.
O sistema pode incluir adicionalmente um segundo recuperador acoplado de forma fluídica à segunda turbina e configurado para transferir energia térmica residual do fluxo de massa combinado para o segundo fluxo de massa direcionado para o segundo trocador de calor, e um terceiro trocador de calor em comunicação térmica com a fonte de calor e arranjado entre a bomba e o primeiro trocador de calor, o terceiro trocador de calor sendo configurado para receber e transferir calor para o primeiro fluxo de massa antes de atravessar o primeiro trocador de calor.
[009] Modalidades da revelação podem fornecer adicionalmente um método para converter energia térmica em trabalho. O método pode incluir circular um fluido de trabalho com uma bomba por todo um circuito de fluido de trabalho, separar o fluido de trabalho no circuito de fluido de trabalho em um primeiro fluxo de massa e um segundo fluxo de massa, e transferir energia térmica em um primeiro trocador de calor de uma fonte de calor para o primeiro fluxo de massa, o primeiro trocador de calor estando em comunicação térmica com a fonte de calor. O método também pode incluir expandir o primeiro fluxo de massa em uma primeira turbina acoplada de forma fluídica ao primeiro trocador de calor, transferir energia térmica residual em um primeiro recuperador do primeiro fluxo de massa descarregado da primeira turbina para o primeiro fluxo de massa direcionado para o primeiro trocador de calor, o primeiro recuperador estando acoplado de forma fluídica à primeira turbina, e transferir energia térmica em um segundo trocador de calor da fonte de calor para o segundo fluxo de massa, o segundo trocador de calor estando em comunicação térmica com a fonte de calor. O método pode incluir adicionalmente expandir o segundo fluxo de massa em uma segunda turbina acoplada de forma fluídica ao segundo trocador de calor.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[010] A presente revelação é mais bem entendida a partir da descrição detalhada a seguir quando lida juntamente com as figuras anexas. É enfatizado que, de acordo com a prática padrão na indústria, vários recursos não estão desenhados em escala. De fato, as dimensões dos vários recursos podem estar aumentadas ou reduzidas arbitrariamente para clareza de discussão.
[011] A figura 1 ilustra esquematicamente uma modalidade exemplar de um ciclo de motor térmico paralelo, de acordo com uma ou mais modalidades reveladas.
[012] A figura 2 ilustra esquematicamente uma outra modalidade exemplar de um ciclo de motor térmico paralelo, de acordo com uma ou mais modalidades reveladas.
[013] A figura 3 ilustra esquematicamente uma outra modalidade exemplar de um ciclo de motor térmico paralelo, de acordo com uma ou mais modalidades reveladas.
[014] A figura 4 ilustra esquematicamente uma outra modalidade exemplar de um ciclo de motor térmico paralelo, de acordo com uma ou mais modalidades reveladas.
[015] A figura 5 ilustra esquematicamente uma outra modalidade exemplar de um ciclo de motor térmico paralelo, de acordo com uma ou mais modalidades reveladas.
[016] A figura 6 ilustra esquematicamente uma outra modalidade exemplar de um ciclo de motor térmico paralelo, de acordo com uma ou mais modalidades reveladas.
[017] A figura 7 ilustra esquematicamente uma modalidade exemplar de um sistema de gerenciamento de massa (MMS) que pode ser implementado com um ciclo de motor térmico paralelo, de acordo com uma ou mais modalidades reveladas.
[018] A figura 8 ilustra esquematicamente uma outra modalidade exemplar de um MMS que pode ser implementado com um ciclo de motor térmico paralelo, de acordo com uma ou mais modalidades reveladas.
[019] As figuras 9 e 10 ilustram esquematicamente diferentes arranjos de sistema para resfriar entrada de um fluxo de fluido separado (por exemplo, ar) por utilização do fluido de trabalho que pode ser usado nos ciclos de motor térmico paralelos revelados neste documento.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[020] É para ser entendido que a revelação a seguir descreve diversas modalidades exemplares para implementar diferentes recursos, estruturas ou funções da invenção. Modalidades exemplares de componentes, arranjos e configurações são descritas a seguir para simplificar a presente revelação; entretanto, estas modalidades exemplares são fornecidas somente como exemplos e não são pretendidas para limitar o escopo da invenção. Adicionalmente, a presente revelação pode repetir números e/ou letras de referência nas várias modalidades exemplares e através das figuras fornecidas neste documento. Esta repetição é para o propósito de simplicidade e clareza e não dita por si mesma uma relação entre as várias modalidades e/ou configurações exemplares discutidas nas várias figuras. Além disso, a formação de um primeiro recurso sobre ou em um segundo recurso na descrição que se segue pode incluir modalidades em que os primeiro e segundo recursos são formados em contato direto, e também pode incluir modalidades em que recursos adicionais podem ser formados interpondo os primeiro e segundo recursos, de tal maneira que os primeiro e segundo recursos pode não estar em contato direto. Finalmente, as modalidades exemplares apresentadas a seguir podem ser combinadas em qualquer combinação de modos, isto é, qualquer elemento de uma modalidade exemplar pode ser usado em qualquer outra modalidade exemplar, sem divergir do escopo da revelação.
[021] Adicionalmente, certos termos são usados por toda a descrição e reivindicações a seguir para se referir a componentes particulares. Tal como os versados na técnica perceberão, várias entidades podem se referir ao mesmo componente por meio de diferentes nomes e, como tal, a convenção de nomenclatura para os elementos descritos neste documento não é pretendida para limitar o escopo da invenção, a não ser que definido especificamente de outro modo neste documento. Adicionalmente, a convenção de nomenclatura usada neste documento não é pretendida para distinguir entre componentes que diferem em nome, mas não em função. Adicionalmente, na discussão e nas reivindicações a seguir, os termos “incluindo” e “compreendendo” são usados em um modo aberto, e assim devem ser interpretados para significar “incluindo, mas não limitado a isto”. Todos os valores numéricos nesta revelação podem ser valores exatos ou aproximados a não ser que relatado especificamente de outro modo. Desta maneira, várias modalidades da revelação podem divergir dos números, valores e faixas revelados neste documento sem divergir do escopo pretendido. Além disso, tal como ele é usado nas reivindicações ou no relatório descritivo, o termo “ou” é pretendido para abranger tanto casos exclusivos quanto inclusivos, isto é, “A ou B” é pretendido para ser idêntico a “pelo menos um de A e B”, a não ser que especificado expressamente de outro modo neste documento.
[022] A figura 1 ilustra um ciclo termodinâmico exemplar 100, de acordo com uma ou mais modalidades da revelação, que pode ser usado para converter energia térmica em trabalho por meio de expansão térmica de um fluido de trabalho. O ciclo 100 é caracterizado como um ciclo de Rankine e pode ser implementado em um dispositivo de motor térmico que inclua múltiplos trocadores de calor em comunicação de fluido com um fonte de calor residual, múltiplas turbinas para geração de energia e/ou potência de acionamento de bomba, e múltiplos recuperadores localizados a jusante da(s) turbina(s).
[023] Especificamente, o ciclo termodinâmico 100 pode incluir um circuito de fluido de trabalho 110 em comunicação térmica com uma fonte de calor 106 por meio de um primeiro trocador de calor 102 e de um segundo trocador de calor 104 arranjados em série. Será percebido que qualquer número de trocadores de calor pode ser utilizado em combinação com uma ou mais fontes de calor. Em uma modalidade exemplar, os primeiro e segundo trocadores de calor 102, 104 podem ser trocadores de calor residual. Em outras modalidades exemplares, os primeiro e segundo trocadores de calor 102, 104 podem incluir primeiro e segundo estágios, respectivamente, de um trocador de calor residual único ou combinado.
[024] A fonte de calor 106 pode derivar energia térmica de uma variedade de fontes de alta temperatura. Por exemplo, a fonte de calor 106 pode ser um fluxo de calor residual tal como, mas não limitado a isto, exaustão de turbina a gás, exaustão de fluxo de processo, ou outros fluxos de exaustão de produtos de combustão, tais como fluxos de exaustão de forno ou de caldeira. Desta maneira, o ciclo termodinâmico 100 pode ser configurado para transformar calor residual em eletricidade para aplicações variando de ciclagem inferior em turbinas a gás, conjuntos geradores de motores diesel estacionários, recuperação de calor residual industrial (por exemplo, em refinarias e estações de compressão), e alternativas híbridas para o motor de combustão interna. Em outras modalidades exemplares, a fonte de calor 106 pode derivar energia térmica de fontes renováveis de energia térmica tais como, mas não limitadas a isto, fontes térmicas solares e geotérmicas.
[025] Embora a fonte de calor 106 possa ser um fluxo de fluido da fonte de alta temperatura propriamente dita, em outras modalidades exemplares a fonte de calor 106 pode ser um fluido térmico em contato com a fonte de alta temperatura. O fluido térmico pode entregar a energia térmica para os trocadores de calor residual 102, 104 para transferir a energia para o fluido de trabalho no circuito
100.
[026] Tal como ilustrado, o primeiro trocador de calor 102 pode servir como um trocador de calor de alta temperatura, ou de temperatura relativamente mais alta, adaptado para receber um fluxo inicial ou primário da fonte de calor 106. Em várias modalidades exemplares da revelação, a temperatura inicial da fonte de calor 106 entrando no ciclo 100 pode variar de cerca de 400 °F a mais que cerca de 1.200 °F (de cerca de 204 °C a mais que cerca de 650 °C). Na modalidade exemplar ilustrada, o fluxo inicial da fonte de calor 106 pode ter uma temperatura de cerca de 500 °C ou mais. O segundo trocador de calor 104 pode então receber a fonte de calor 106 por meio de uma conexão serial 108 a jusante do primeiro trocador de calor
102. Em uma modalidade exemplar, a temperatura da fonte de calor 106 fornecida para o segundo trocador de calor 104 pode ser de cerca de 250 °C a 300 °C. Deve ser notado que temperaturas, pressões e taxas de fluxos operativas representativas tais como indicadas nas figuras são a título de exemplo e não são para ser consideradas em nenhum modo como limitando o escopo da revelação.
[027] Tal como pode ser percebido, uma maior quantidade de energia térmica é transferida da fonte de calor 106 por meio do arranjo serial dos primeiro e segundo trocadores de calor 102, 104, pelo qual o primeiro trocador de calor 102 transfere calor em um espectro de temperatura relativamente mais alta no fluxo de calor residual 106 do que o segundo trocador de calor 104. Consequentemente, maior geração de energia resulta das turbinas ou dispositivos de expansão associado, tal como será descrito com mais detalhes a seguir.
[028] O fluido de trabalho circulado no circuito de fluido de trabalho 110, e nos outros circuitos exemplares revelados a seguir neste documento, pode ser dióxido de carbono (CO2). Dióxido de carbono como um fluido de trabalho para ciclos de geração de energia tem muitas vantagens. Ele é um fluido de trabalho favorável ao efeito estufa e neutro que oferece benefícios tais como não toxidade, não inflamabilidade, fácil disponibilidade, baixo preço e nenhuma necessidade de reciclagem. Por causa em parte de sua pressão de trabalho relativamente alta, pode ser construído um sistema de CO2 que é muito mais compacto do que sistemas usando outros fluidos de trabalho. A densidade e capacidade térmica volumétrica altas de CO2 com relação a outros fluidos de trabalho fazem com que ele seja mais “denso em energia”, significando que o tamanho de todos os componentes de sistema pode ser reduzido consideravelmente sem perder desempenho. Deve ser notado que o uso da expressão “dióxido de carbono” tal como usada neste documento não é pretendido para ficar limitado a um CO2 de qualquer tipo, pureza, ou grau particular. Por exemplo, em pelo menos uma modalidade exemplar CO2 de grau industrial pode ser usado, sem divergir do escopo da revelação.
[029] Em outras modalidades exemplares, o fluido de trabalho no circuito 110 pode ser um binário, ternário, ou outra mistura de fluidos de trabalho. A mistura ou combinação de fluidos de trabalho pode ser selecionada para os atributos exclusivos possuídos pela combinação de fluidos dentro de um sistema de recuperação de calor, tal como descrito neste documento. Por exemplo, uma combinação de fluidos como esta inclui um mistura de líquido absorvente e CO2 capacitando o fluido combinado para ser bombeado em um estado líquido para alta pressão com menos entrada de energia do que exigida para comprimir CO2. Em uma outra modalidade exemplar, o fluido de trabalho pode ser uma combinação de CO2 ou dióxido de carbono supercrítico (ScCO2) e um ou mais outros fluidos ou compostos químicos miscíveis. Também em outras modalidades exemplares, o fluido de trabalho pode ser uma combinação de
CO2 e propano, ou CO2 e amônia, sem divergir do escopo da revelação.
[030] Uso da expressão “fluido de trabalho” não é pretendido para limitar o estado ou fase de matéria em que está o fluido de trabalho. Em outras palavras, o fluido de trabalho pode estar em uma fase fluida, uma fase gasosa, uma fase supercrítica, um estado subcrítico ou em qualquer outra fase ou estado em qualquer um ou mais pontos dentro do ciclo de fluido. O fluido de trabalho pode estar em um estado supercrítico em certas partes do circuito 110 (o “lado de alta pressão”), e em um estado subcrítico em outras partes do circuito 110 (o “lado de baixa pressão”). Em outras modalidades exemplares, o circuito de fluido de trabalho total 110 pode ser operado e controlado de tal maneira que o fluido de trabalho está em um estado supercrítico ou subcrítico durante a execução total do circuito 110.
[031] Os trocadores de calor 102, 104 são arranjados em série na fonte de calor 106, mas arranjados em paralelo no circuito de fluido de trabalho 110. O primeiro trocador de calor 102 pode ser acoplado de forma fluídica a uma primeira turbina 112, e o segundo trocador de calor 104 pode ser acoplado de forma fluídica a uma segunda turbina
114. Por sua vez a primeira turbina 112 pode ser acoplada de forma fluídica a um primeiro recuperador 116, e a segunda turbina 114 pode ser acoplada de forma fluídica a um segundo recuperador 118. Uma ou ambas as turbinas 112, 114 podem ser uma turbina de potência configurada para fornecer energia elétrica para sistemas ou processos auxiliares. Os recuperadores 116, 118 podem ser arranjados em série em um lado de temperatura baixa do circuito 110 e em paralelo em um lado de temperatura alta do circuito 110. Os recuperadores 116, 118 dividem o circuito 110 nos lados de temperatura alta e baixa. Por exemplo, o lado de temperatura alta do circuito 110 inclui as partes do circuito 110 arranjadas a jusante de cada recuperador 116, 118 onde o fluido de trabalho é direcionado para os trocadores de calor 102, 104. O lado de temperatura baixa do circuito 110 inclui as partes do circuito a jusante de cada recuperador 116, 118 onde o fluido de trabalho é direcionado para longe dos trocadores de calor 102, 104.
[032] O circuito de fluido de trabalho 110 pode incluir adicionalmente uma primeira bomba 120 e uma segunda bomba 122 em comunicação de fluido com os componentes do circuito de fluido 110 e configuradas para circular o fluido de trabalho. As primeira e segunda bombas 120, 122 podem ser turbobombas, ou acionadas independentemente por uma ou mais máquinas ou dispositivos externos, tais como um motor. Em uma modalidade exemplar, a primeira bomba 120 pode ser usada para circular o fluido de trabalho durante operação normal do ciclo 100, enquanto que a segunda bomba 122 pode ser acionada nominalmente e usada somente para iniciar o ciclo 100. Em pelo menos uma modalidade exemplar, a segunda turbina 114 pode ser usada para acionar a primeira bomba 120, mas em outras modalidades exemplares a primeira turbina 112 pode ser usada para acionar a primeira bomba 120, ou a primeira bomba 120 pode ser acionada nominalmente por um motor (não mostrado).
[033] A primeira turbina 112 pode operar em uma temperatura relativamente mais alta (por exemplo, maior temperatura de entrada de turbina) que a da segunda turbina 114, por causa da queda de temperatura da fonte de calor 106 experimentada através do primeiro trocador de calor
102. Em uma ou mais modalidades exemplares, entretanto, cada turbina 112, 114 pode ser configurada para operar na mesma ou substancialmente na mesma pressão de entrada. Isto pode ser concretizado por meio de projeto e controle do circuito 110 incluindo, mas não limitado a isto, o controle das primeira e segunda bombas 120, 122 e/ou o uso de bombas de múltiplos estágios para otimizar as pressões de entrada de cada turbina 112, 114 para temperaturas de entrada correspondentes do circuito 110.
[034] Em uma ou mais modalidades exemplares, a pressão de entrada na primeira bomba 120 pode exceder a pressão de vapor do fluido de trabalho por uma margem suficiente para impedir vaporização do fluido de trabalho nas regiões locais da baixa pressão e/ou alta velocidade. Isto é especialmente importante com bombas de alta velocidade, tais como as turbobombas que podem ser usadas nas várias modalidades exemplares reveladas neste documento. Consequentemente, um sistema de pressurização passivo tradicional, tal como um que emprega um tanque de surto que fornece somente a pressão incremental de gravidade em relação à pressão de vapor de fluido, pode se comprovar insuficiente para as modalidades exemplares reveladas neste documento.
[035] O circuito de fluido de trabalho 110 pode incluir adicionalmente um condensador 124 em comunicação de fluido com um ou ambos de os primeiro e segundo recuperadores 116,
118. O fluxo de fluido de trabalho de descarga de pressão baixa saindo de cada recuperador 116, 118 pode ser direcionado através do condensador 124 para ser resfriado para retornar para o lado de temperatura baixa do circuito 110 e para a primeira ou segunda bomba 120, 122.
[036] Em operação, o fluido de trabalho é separado no ponto 126 no circuito de fluido de trabalho 110 em um primeiro fluxo de massa m1 e um segundo fluxo de massa m2. O primeiro fluxo de massa m1 é direcionado através do primeiro trocador de calor 102 e expandido subsequentemente na primeira turbina 112. Seguinte à primeira turbina 112, o primeiro fluxo de massa m1 atravessa o primeiro recuperador 116 a fim de transferir calor residual de volta para o primeiro fluxo de massa m1 à medida que ele é direcionado para o primeiro trocador de calor 102. O segundo fluxo de massa m2 pode ser direcionado através do segundo trocador de calor 104 e expandido subsequentemente na segunda turbina 114. Seguinte à segunda turbina 114, o segundo fluxo de massa m2 atravessa o segundo recuperador 118 para transferir calor residual de volta para o segundo fluxo de massa m2 à medida que ele é direcionado para o segundo trocador de calor 104. O segundo fluxo de massa m2 é então combinado novamente com o primeiro fluxo de massa m1 no ponto 128 no circuito de fluido de trabalho 110 para gerar um fluxo de massa combinado m1+m2. O fluxo de massa combinado m1+m2 pode ser direcionado através do condensador 124 e de volta para a bomba 120 para começar o laço de novo. Em pelo menos uma modalidade, o fluido de trabalho na entrada da bomba 120 é supercrítico.
[037] Tal como pode ser percebido, cada estágio de troca de calor com a fonte de calor 106 pode ser incorporado ao circuito de fluido de trabalho 110 onde ele é utilizado mais efetivamente dentro do ciclo termodinâmico completo 100. Por exemplo, ao dividir a troca de calor em múltiplos estágios, com trocadores de calor separados (por exemplo, os primeiro e segundo trocadores de calor 102, 104) ou com um único ou múltiplos trocadores de calor com múltiplos estágios, calor adicional pode ser extraído da fonte de calor 106 para uso mais eficiente em expansão, e primariamente para obter múltiplas expansões da fonte de calor 106.
[038] Também, ao usar as múltiplas turbinas 112, 114 em razões de pressão similares ou substancialmente similares, uma maior fração da fonte de calor disponível 106 pode ser utilizada de forma eficiente ao usar o calor residual de cada turbina 112, 114 por meio dos recuperadores 116, 118 de tal maneira que o calor residual não é perdido ou comprometido. O arranjo dos recuperadores 116, 118 no circuito de fluido de trabalho 110 pode ser otimizado com a fonte de calor 106 para maximizar saída de energia das múltiplas expansões de temperatura nas turbinas 112, 114. Ao juntar seletivamente os fluxos de fluidos de trabalho paralelos, os dois lados de um e outro dos recuperadores 116, 118 podem ser equilibrados, por exemplo, ao casar taxas de capacidade térmica; C = m • cp, onde C é a taxa de capacidade térmica, m é a taxa de fluxo de massa do fluido de trabalho, e cp é o calor específico em pressão constante.
[039] A figura 2 ilustra uma outra modalidade exemplar de um ciclo termodinâmico 200, de acordo com uma ou mais modalidades reveladas. O ciclo 200 pode ser similar em alguns aspectos ao ciclo termodinâmico 100 descrito anteriormente com referência à figura 1. Desta maneira, o ciclo termodinâmico 200 pode ser mais bem entendido com referência à figura 1, onde números iguais correspondem a elementos iguais e, portanto, não serão descritos de novo detalhadamente. O ciclo 200 inclui os primeiro e segundo trocadores de calor 102, 104, de novo arranjados em série em comunicação térmica com a fonte de calor 106, mas em paralelo em um circuito de fluido de trabalho 210. Os primeiro e segundo recuperadores 116 e 118 são arranjados em série no lado de temperatura baixa do circuito 210 e em paralelo no lado de temperatura alta do circuito 210.
[040] No circuito 210, o fluido de trabalho é separado em um primeiro fluxo de massa m1 e um segundo fluxo de massa m2 em um ponto 202. O primeiro fluxo de massa m1 eventualmente é direcionado através do primeiro trocador de calor 102 e expandido subsequentemente na primeira turbina
112. O primeiro fluxo de massa m1 atravessa então o primeiro recuperador 116 para transferir calor residual de volta para o primeiro fluxo de massa m1 seguindo para além do estado 25 e para o primeiro recuperador 116. O segundo fluxo de massa m2 pode ser direcionado através do segundo trocador de calor 104 e expandido subsequentemente na segunda turbina 114. Seguinte à segunda turbina 114, o segundo fluxo de massa m2 é combinado novamente com o primeiro fluxo de massa m1 no ponto 204 para gerar um fluxo de massa combinado m1 + m2. O fluxo de massa combinado m1+m2 pode ser direcionado através do segundo recuperador 118 para transferir calor residual para o primeiro fluxo de massa m1 atravessando o segundo recuperador 118.
[041] O arranjo dos recuperadores 116, 118 fornece o fluxo de massa combinado m1 + m2 para o segundo recuperador 118 antes de alcançar o condensador 124. Tal como pode ser percebido, isto pode aumentar a eficiência térmica do circuito de fluido de trabalho 210 ao fornecer melhor casamento das taxas de capacidade térmica, tal como definido anteriormente.
[042] Tal como ilustrado, a segunda turbina 114 pode ser usada para acionar a primeira ou bomba de fluido de trabalho principal 120. Em outras modalidades exemplares, entretanto, a primeira turbina 112 pode ser usada para acionar a bomba 120, sem divergir do escopo da revelação. Tal como será discutido com mais detalhes a seguir, as primeira e segunda turbinas 112, 114 podem ser operadas em pressões de entrada de turbina comuns ou pressões de entrada de turbina diferentes por meio de gerenciamento das respectivas taxas de fluxo de massa nos estados correspondentes 41 e 42.
[043] A figura 3 ilustra uma outra modalidade exemplar de um ciclo termodinâmico 300, de acordo com uma ou mais modalidades da revelação. O ciclo 300 pode ser similar em alguns aspectos aos ciclos termodinâmicos 100 e/ou 200, assim o ciclo 300 pode ser mais bem entendido com referência às figuras 1 e 2, onde números iguais correspondem a elementos iguais e, portanto, não serão descritos de novo detalhadamente. O ciclo termodinâmico 300 pode incluir um circuito de fluido de trabalho 310 utilizando um terceiro trocador de calor 302 em comunicação térmica com a fonte de calor 106. O terceiro trocador de calor 302 pode ser um tipo de trocador de calor similar ao primeiro e segundo trocador de calor 102, 104, tal como descrito anteriormente.
[044] Os trocadores de calor 102, 104, 302 podem ser arranjados em série em comunicação térmica com o fluxo da fonte de calor 106, e arranjados em paralelo no circuito de fluido de trabalho 310. Os primeiro e segundo recuperadores correspondentes 116, 118 são arranjados em série no lado de temperatura baixa do circuito 310 com o condensador 124, e em paralelo no lado de temperatura alta do circuito 310. Após o fluido de trabalho ser separado em primeiro e segundo fluxos de massa m1, m2 no ponto 304, o terceiro trocador de calor 302 pode ser configurado para receber o primeiro fluxo de massa m1 e transferir calor da fonte de calor 106 para o primeiro fluxo de massa m1 antes de alcançar a primeira turbina 112 para expansão. Seguinte à expansão na primeira turbina 112, o primeiro fluxo de massa m1 é direcionado através do primeiro recuperador 116 para transferir calor residual para o primeiro fluxo de massa m1 descarregado do terceiro trocador de calor 302.
[045] O segundo fluxo de massa m2 é direcionado através do segundo trocador de calor 104 e expandido subsequentemente na segunda turbina 114. Seguinte à segunda turbina 114, o segundo fluxo de massa m2 é combinado novamente com o primeiro fluxo de massa m1 no ponto 306 para gerar o fluxo de massa combinado m1 + m2 que fornece calor residual para o segundo fluxo de massa m2 no segundo recuperador 118.
[046] A segunda turbina 114 de novo pode ser usada para acionar a primeira ou bomba primária 120, ou ela pode ser acionada por outro dispositivo, tal como descrito neste documento. A segunda ou bomba iniciadora 122 pode ser fornecida no lado de temperatura baixa do circuito 310 e pode fornecer fluido de trabalho de circulação através de um caminho de trocador de calor paralelo incluindo os segundo e terceiro trocadores de calor 104, 302. Em uma modalidade exemplar, os primeiro e terceiro trocadores de calor 102, 302 podem ter essencialmente fluxo zero durante a partida do ciclo 300. O circuito de fluido de trabalho 310 também pode incluir uma válvula borboleta 308, tal como uma válvula borboleta de acionamento de bomba, e uma válvula de interrupção 312 para gerenciar o fluxo do fluido de trabalho.
[047] A figura 4 ilustra uma outra modalidade exemplar de um ciclo termodinâmico 400, de acordo com uma ou mais modalidades exemplares reveladas. O ciclo 400 pode ser similar em alguns aspectos aos ciclos termodinâmicos 100, 200 e/ou 300 e, como tal, o ciclo 400 pode ser mais bem entendido com referência às figuras 1-3, onde números iguais correspondem a elementos iguais e que não serão descritos de novo detalhadamente. O ciclo termodinâmico 400 pode incluir um circuito de fluido de trabalho 410 onde os primeiro e segundo recuperadores 116, 118 são combinados em um único recuperador 402 ou substituídos de outro modo por ele. O recuperador 402 pode ser de um tipo similar aos recuperadores 116, 118 descritos neste documento, ou pode ser um outro tipo de recuperador ou trocador de calor conhecido para os versados na técnica.
[048] Tal como ilustrado, o recuperador 402 pode ser configurado para transferir calor para o primeiro fluxo de massa m1 à medida que ele entra no primeiro trocador de calor 102 e para receber calor do primeiro fluxo de massa m1 à medida que ele sai da primeira turbina 112. O recuperador 402 também pode transferir calor para o segundo fluxo de massa m2 à medida que ele entra no segundo trocador de calor 104 e pode receber calor do segundo fluxo de massa m1 à medida que ele sai da segunda turbina 114. O fluxo de massa combinado m1+m2 flui para fora do recuperador 402 e para o condensador 124.
[049] Em outras modalidades exemplares, o recuperador 402 pode ser ampliado, tal como indicado pelas linhas tracejadas de extensão ilustradas na figura 4, ou adaptado de outro modo para receber o primeiro fluxo de massa m1 entrando e saindo do terceiro trocador de calor 302. Consequentemente, energia térmica adicional pode ser extraída do recuperador 304 e direcionada para o terceiro trocador de calor 302 para aumentar a temperatura do primeiro fluxo de massa m1.
[050] A figura 5 ilustra uma outra modalidade exemplar de um ciclo termodinâmico 500 de acordo com a revelação. O ciclo 500 pode ser similar em alguns aspectos ao ciclo termodinâmico 100 e, como tal, pode ser mais bem entendido com referência à figura 1 indicada acima, onde números iguais correspondem a elementos iguais que não serão descritos de novo. O ciclo termodinâmico 500 pode ter um circuito de fluido de trabalho 510 substancialmente similar ao circuito de fluido de trabalho 110 da figura 1, mas com um arranjo diferente das primeira e segunda bombas 120,
122. Tal como ilustrado na figura 1, cada um dos ciclos paralelos tem uma bomba independente (a bomba 120 para o ciclo de alta temperatura e a bomba 122 para o ciclo de baixa temperatura, respectivamente) para fornecer o fluxo de fluido de trabalho durante operação normal. Em contraste, o ciclo termodinâmico 500 na figura 5 usa a bomba principal 120, a qual pode ser acionada pela segunda turbina 114, para fornecer fluxos de fluido de trabalho para ambos os ciclos paralelos. A bomba iniciadora 122 na figura 5 opera somente durante o processo de partida do motor térmico e, portanto, nenhuma bomba acionada por motor não é exigida durante operação normal.
[051] A figura 6 ilustra uma outra modalidade exemplar de um ciclo termodinâmico 600 de acordo com a revelação. O ciclo 600 pode ser similar em alguns aspectos ao ciclo termodinâmico 300 e, como tal, pode ser mais bem entendido com referência à figura 3 indicada acima, onde números iguais correspondem a elementos iguais e que não serão descritos de novo detalhadamente. O ciclo termodinâmico 600 pode ter um circuito de fluido de trabalho 610 substancialmente similar ao circuito de fluido de trabalho 310 da figura 3, mas com a adição de um terceiro recuperador 602 que extrai energia térmica adicional do fluxo de massa combinado m1 + m2 descarregado do segundo recuperador 118. Desta maneira, a temperatura do primeiro fluxo de massa m1 entrando no terceiro trocador de calor 302 pode ser aumentada antes de receber calor residual transferido da fonte de calor 106.
[052] Tal como ilustrado, os recuperadores 116, 118, 602 podem operar como dispositivos de troca de calor separados. Em outras modalidades exemplares, entretanto, os recuperadores 116, 118, 602 podem ser combinado em um único recuperador, similar ao recuperador 402 descrito anteriormente em referência à figura 4.
[053] Tal como ilustrado por cada ciclo termodinâmico exemplar 100-600 descrito neste documento (significando os ciclos 100, 200, 300, 400, 500 e 600), o ciclo e arranjo de troca de calor paralelo incorporado a cada circuito de fluido de trabalho 110-610 (significando os circuitos 110, 210, 310, 410, 510 e 610) capacita mais geração de energia a partir de uma dada fonte de calor 106 ao elevar a temperatura de entrada de turbina de energia para níveis inalcançáveis em um único ciclo, resultando assim em maior eficiência térmica para cada ciclo exemplar 100-600. A adição de ciclos de troca de calor de temperatura mais baixa por meio dos segundo e terceiro trocadores de calor 104, 302 capacita recuperação de uma maior fração de energia disponível da fonte de calor 106. Além disso, as razões de pressão para cada ciclo de troca de calor individual podem ser otimizadas para melhoramento adicional em eficiência térmica.
[054] Outras variações que podem ser implementadas em qualquer uma das modalidades exemplares reveladas incluem, sem limitação, o uso das bombas de dois estágios ou de múltiplos estágios 120, 122 para otimizar as pressões de entrada para as turbinas 112, 114 para qualquer temperatura de entrada correspondente particular de uma ou outra turbina 112, 114. Em outras modalidades exemplares, as turbinas 112, 114 podem ser acopladas conjuntamente tal como pelo uso de estágios de turbina adicionais em paralelo em um eixo de potência de turbina compartilhado. Outras variações consideradas neste documento são, mas não limitadas a isto, o uso de estágios de turbina adicionais em paralelo em um eixo de bomba acionado por turbina; acoplamento de turbinas por meio de uma caixa de engrenagens; o uso de diferentes arranjos de recuperador para otimizar eficiência total; e o uso de expansores e bombas de alternação no lugar de turbomaquinário. Também é possível conectar a saída da segunda turbina 114 ao gerador ou dispositivo de produção de eletricidade sendo acionado pela primeira turbina 112, ou mesmo integrar as primeira e segunda turbinas 112, 114 em uma peça única de turbomaquinário, tal como uma turbina de múltiplos estágios usando pás/discos separados em um eixo comum, ou como estágios separados de uma turbina radial acionando uma engrenagem principal usando pinhões separados para cada turbina radial. Outras variações exemplares também são consideradas onde a primeira e/ou segunda turbina 112, 114 são acopladas à bomba principal 120 e um motor-gerador (não mostrado) que serve tanto como um motor iniciador quanto como um gerador.
[055] Cada um dos ciclos descritos 100-600 pode ser implementado em uma variedade de modalidades físicas, incluindo, mas não limitadas a isto, instalações fixadas ou integradas, ou como um dispositivo autônomo tal como um motor ou “plataforma” térmica residual portátil. A plataforma de motor térmico residual exemplar pode arranjar cada circuito de fluido de trabalho 110-610 e componentes relacionados tais como as turbinas 112, 114, os recuperadores 116, 118, os condensadores 124, as bombas 120, 122, válvulas, sistemas de fornecimento e controle de fluido de trabalho e mecânico e controles eletrônicos são consolidados como uma única unidade. Uma plataforma de motor térmico residual exemplar é descrita e ilustrada no pedido de patente US copendente 12/631.412, intitulado “Thermal Energy Conversion Device”, depositado em 9 de dezembro de 2009, cujo conteúdo está incorporado a este pela referência para a extensão não inconsistente com a presente revelação.
[056] As modalidades exemplares reveladas neste documento podem incluir adicionalmente a incorporação e uso de um sistema de gerenciamento de massa (MMS) em conexão com os ciclos termodinâmicos 100-600 descritos ou integrados a eles. O MMS pode ser fornecido para controlar a pressão de entrada na primeira bomba 120 ao adicionar e remover massa (isto é, fluido de trabalho) do circuito de fluido de trabalho 100-600, aumentando assim a eficiência dos ciclos 100-600. Em uma modalidade exemplar, o MMS opera com o ciclo 100-600 semipassivamente e usa sensores para monitorar pressões e temperaturas no lado de alta pressão (da saída da bomba 120 para a entrada do expansor 116, 118) e lado de baixa pressão (da saída do expansor 112, 114 para a entrada da bomba 120) do circuito 110-610. O MMS também pode incluir válvulas, aquecedores de tanque ou outro equipamento para facilitar o movimento do fluido de trabalho para dentro e para fora dos circuitos de fluido de trabalho 110-610 e um tanque de controle de massa para armazenamento de fluido de trabalho. Modalidades exemplares do MMS estão ilustradas e descritas nos pedidos de patente US copendentes 12/631.412, 12/631.400 e 12/631.379, cada um depositado em 4 de dezembro de 2009, no pedido de patente US 12/880.428, depositado em 13 de setembro de 2010, e no pedido PCT US2011/29486, depositado em 22 de março de 2011.
O conteúdo de cada um dos casos indicados anteriormente está incorporado a este documento pela referência para a extensão não inconsistente com a presente revelação.
[057] Referindo-se agora às figuras 7 e 8, estão ilustrados os sistemas de gerenciamento de massa exemplares 700 e 800, respectivamente, os quais podem ser usados em combinação com os ciclos termodinâmicos 100-600 descritos neste documento, em uma ou mais modalidades exemplares. Os pontos de conexão de sistema A, B e C tais como mostrados nas figuras 7 e 8 (somente os pontos A e C estão mostrados na figura 8) correspondem aos pontos de conexão de sistema A, B e C mostrados nas figuras 1-6. Desta maneira, cada um de o MMS 700 e o 800 pode ser acoplado de forma fluídica aos ciclos termodinâmicos 100-600 das figuras 1-6 nos pontos de conexão de sistema correspondentes A, B e C (se aplicável). O MMS exemplar 800 armazena um fluido de trabalho em temperatura baixa (subambiente) e, portanto, em baixa pressão, e o MMS exemplar 700 armazena um fluido de trabalho na temperatura ambiente ou perto dela. Tal como discutido anteriormente, o fluido de trabalho pode ser CO2, mas também pode ser outros fluidos de trabalho sem divergir do escopo da revelação.
[058] Na operação exemplar do MMS 700, um tanque de armazenamento de fluido de trabalho 702 é pressurizado por fluido de trabalho de derivação proveniente do(s) circuito(s) de fluido de trabalho 110-610 através de uma primeira válvula 704 em ponto de conexão A. Quando necessário fluido de trabalho adicional pode ser acrescentado ao(s) circuito(s) de fluido de trabalho 110- 610 ao abrir uma segunda válvula 706 arranjada perto do fundo do tanque de armazenamento 702 a fim de permitir que o fluido de trabalho adicional flua através do ponto de conexão C, arranjado a montante da bomba 120 (figuras 1-6). Adicionar fluido de trabalho ao(s) circuito(s) 110-610 no ponto de conexão C pode servir para elevar a pressão de entrada da primeira bomba 120. Para extrair fluido do(s) circuito(s) de fluido de trabalho 110-610, e assim diminuir a pressão de entrada da primeira bomba 120, uma terceira válvula 708 pode ser aberta para permitir que fluido pressurizado frio entre no tanque de armazenamento via ponto de conexão B. Embora não necessário em cada aplicação, o MMS 700 também pode incluir uma bomba de transferência 710 configurada para remover fluido de trabalho do tanque 702 e injetá-lo no(s) circuito(s) de fluido de trabalho 110-610.
[059] O MMS 800 da figura 8 usa somente os dois pontos de conexão ou de interface de sistema A e C. A interface controlada por válvula A não é usada durante a fase de controle (por exemplo, a operação normal da unidade), e é fornecida somente para pré-pressurizar o(s) circuito(s) de fluido de trabalho 110-610 com vapor de maneira que a temperatura do(s) circuito(s) 110-610 permaneça acima de um limiar mínimo durante enchimento. Um vaporizador pode ser incluído para usar calor ambiente para converter o fluido de trabalho de fase líquida para aproximadamente uma fase de vapor de temperatura ambiente do fluido de trabalho. Sem o vaporizador o sistema poderia diminuir em temperatura expressivamente durante enchimento. O vaporizador também fornece retorno de vapor para o tanque de armazenamento 702 para compensar o volume perdido de líquido que foi extraído, e agindo assim como um construtor de pressão. Em pelo menos uma modalidade, o vaporizador pode ser aquecido eletricamente ou aquecido por um fluido secundário. Em operação, quando é desejado aumentar a pressão de sucção da primeira bomba 120 (figuras 1-6), fluido de trabalho pode ser acrescentado seletivamente ao(s) circuito(s) de fluido de trabalho 110-610 ao bombeá-lo com uma bomba de transferência 802 fornecida na conexão C ou perto dela. Quando é desejado reduzir a pressão de sucção da bomba 120, fluido de trabalho é extraído seletivamente do sistema na interface C e expandido através de uma ou mais válvulas 804 e 806 até a pressão de armazenamento relativamente baixa do tanque de armazenamento 702.
[060] Sob muitas condições, o fluido expandido seguinte às válvulas 804, 806 será de duas fases (isto é, vapor + líquido). Para impedir que a pressão dentro do tanque de armazenamento 702 exceda seus limites de operação normal, um pequeno ciclo de refrigeração de compressão de vapor, incluindo um compressor de vapor 808 e o condensador acompanhante 810, pode ser fornecido. Em outras modalidades, o condensador pode ser usado como o vaporizador, onde água de condensador é usada como uma fonte de calor em vez de um dissipador de calor. O ciclo de refrigeração pode ser configurado para diminuir a temperatura do fluido de trabalho e condensar suficientemente o vapor para manter a pressão do tanque de armazenamento 702 na sua condição de projeto. Tal como será percebido, a ciclo de refrigeração de compressão de vapor pode ser integrado ao MMS 800, ou pode ser um ciclo de compressão de vapor autônomo com um laço de refrigerante independente.
[061] O fluido de trabalho contido dentro do tanque de armazenamento 702 tenderá a estratificar com o fluido de trabalho de densidade mais alta no fundo do tanque 702 e o fluido de trabalho de densidade mais baixa na parte superior do tanque 702. O fluido de trabalho pode estar na fase líquida, fase de vapor ou em ambas, ou ser supercrítico; se o fluido de trabalho estiver tanto na fase de vapor quanto na fase líquida, existirá um limite de fase separando uma fase do fluido de trabalho da outra com o fluido de trabalho mais denso no fundo do tanque de armazenamento 702. Deste modo, o MMS 700, 800 pode ser capaz de entregar para os circuitos 110-610 o fluido de trabalho mais denso dentro do tanque de armazenamento 702.
[062] Todos os vários controles ou mudanças descritos para o ambiente e status de fluido de trabalho por todos os circuitos de fluido de trabalho 110-610, incluindo temperatura, pressão, direção e taxa de fluxo, e operação de componente tais como as bombas 120, 122 e as turbinas 112, 114, podem ser monitorados e/ou controlados por um sistema de controle 712, mostrado de uma maneira geral nas figuras 7 e 8. Sistemas de controle exemplares compatíveis com as modalidades desta revelação são descritos e ilustrados no pedido de patente US copendente 12/880.428, intitulado “Heat Engine and Heat to Electricity Systems and Methods with Working Fluid Fill System”, depositado em 13 de setembro de 2010, e incorporado pela referência, tal como indicado anteriormente.
[063] Em uma modalidade exemplar, o sistema de controle 712 pode incluir um ou mais controladores proporcionais,
integrais e derivativos (PID) como sistemas de realimentação de laços de controle. Em uma outra modalidade exemplar, o sistema de controle 712 pode ser qualquer sistema baseado em microprocessador capaz de armazenar um programa de controle e executar o programa de controle para receber entradas de sensor e gerar sinais de controle de acordo com um algoritmo ou tabela predeterminada. Por exemplo, o sistema de controle 712 pode ser um computador baseado em microprocessador executando um software de controle armazenado em uma mídia legível por computador. O software pode ser configurado para receber entradas de sensor de vários sensores de pressão, de temperatura, de taxa de fluxo, etc. posicionados por todos os circuitos de fluido de trabalho 110-610 e para gerar sinais de controle disto, em que os sinais de controle são configurados para otimizar e/ou controlar seletivamente a operação dos circuitos 110-610.
[064] Cada MMS 700, 800 pode ser conectado comunicavelmente a um sistema de controle 712 como este de tal maneira que controle das várias válvulas e outros equipamentos descritos neste documento é automatizado ou semiautomatizado e reage aos dados de desempenho de sistema obtidos por meio dos vários sensores localizados por todos os circuitos 110-610, e também reage ao ambiente e condições ambientais. Isto é, o sistema de controle 712 pode ficar em comunicação com cada um dos componentes do MMS 700, 800 e ser configurado para controlar a operação dos mesmos para executar a função do(s) ciclo(s) termodinâmico(s) 100-600 de forma mais eficiente. Por exemplo, o sistema de controle 712 pode ficar em comunicação (via fios, sinal RF, etc.) com cada uma das válvulas, bombas, sensores, etc. no sistema e ser configurado para controlar a operação de cada um dos componentes de acordo com um software de controle, algoritmo, ou outro mecanismo de controle predeterminado. Isto pode se comprovar como vantajoso para controlar temperatura e pressão do fluido de trabalho na entrada da primeira bomba 120, para aumentar ativamente a pressão de sucção da primeira bomba 120 ao diminuir compressibilidade do fluido de trabalho. Fazendo assim pode evitar danos à primeira bomba 120 assim como aumentar a razão de pressão total do(s) ciclo(s) termodinâmico(s) 100-600, melhorando assim a eficiência e saída de energia.
[065] Em uma ou mais modalidades exemplares, pode ser vantajoso manter a pressão de sucção da bomba 120 acima da pressão de ebulição do fluido de trabalho na entrada da bomba 120. Um método de controlar a pressão do fluido de trabalho no lado de temperatura baixa do(s) circuito(s) de fluido de trabalho 110-610 é controlar a temperatura do fluido de trabalho no tanque de armazenamento 702 da figura
7. Isto pode ser realizado ao manter a temperatura do tanque de armazenamento 702 em um nível mais alto que a temperatura na entrada da bomba 120. Para realizar isto o MMS 700 pode incluir o uso de um aquecedor e/ou uma serpentina 714 dentro do tanque 702. O aquecedor/serpentina 714 pode ser configurado para adicionar ou remover calor do fluido/vapor dentro do tanque 702. Em uma modalidade exemplar, a temperatura do tanque de armazenamento 702 pode ser controlada usando calor elétrico direto. Em outras modalidades exemplares, entretanto, a temperatura do tanque de armazenamento 702 pode ser controlada usando outros dispositivos, tais como, mas não limitados a isto, uma serpentina trocadora de calor com fluido de descarga de bomba (que esteja em uma temperatura maior que a na entrada de bomba), uma serpentina trocadora de calor com água de resfriamento gasta proveniente do resfriador/condensador (também em uma temperatura maior que a na entrada de bomba) ou combinações das mesmas.
[066] Referindo-se agora às figuras 9 e 10, os sistemas de resfriamento 900 e 1000, respectivamente, também podem ser empregados em conexão com qualquer um dos ciclos descritos anteriormente a fim de fornecer resfriamento para outras áreas de um processo industrial incluindo, mas não limitado a isto, pré-resfriamento do ar de entrada de uma turbina a gás ou de outros motores de aspiração de ar, permitindo assim uma maior saída de energia de motor. Os pontos de conexão de sistema B e D ou C e D nas figuras 9 e podem corresponder aos pontos de conexão de sistema B, C e D nas figuras 1-6. Desta maneira, cada um dos sistemas de resfriamento 900, 1000 pode ser acoplado de forma fluídica a um ou mais dos circuitos de fluido de trabalho 110-610 das figuras 1-6 nos pontos de conexão de sistema correspondentes B, C e/ou D (onde aplicável).
[067] No sistema de resfriamento 900 da figura 9, uma parte do fluido de trabalho pode ser extraída do(s) circuito(s) de fluido de trabalho 110-610 na conexão de sistema C. A pressão dessa parte de fluido é reduzida por meio de um dispositivo de expansão 902, o qual pode ser uma válvula, orifício, ou expansor de fluido tal como uma turbina ou expansor de deslocamento positivo. Este processo de expansão diminui a temperatura do fluido de trabalho. Calor é então acrescentado ao fluido de trabalho em um trocador de calor evaporador 904, o qual reduz a temperatura de um fluido de processo externo (por exemplo, ar, água, etc.). A pressão de fluido de trabalho é então aumentada novamente pelo uso de um compressor 906, após o que ele é reintroduzido no(s) circuito(s) de fluido de trabalho 110-610 via conexão de sistema D.
[068] O compressor 906 pode ser acionado por motor ou acionado por turbina, uma turbina dedicada ou um volante adicional acrescentado a uma turbina primária do sistema. Em outras modalidades exemplares, o compressor 906 pode ser integrado ao(s) circuito(s) de fluido de trabalho principal 110-610. Também em outras modalidades exemplares, o compressor 906 pode adotar a forma de um ejetor de fluido, com fluido motivo fornecido pelo ponto de conexão de sistema A, e descarregando para o ponto de conexão de sistema D, a montante do condensador 124 (figuras 1-6).
[069] O sistema de resfriamento 1000 da figura 10 também pode incluir um compressor 1002, substancialmente similar ao compressor 906 descrito anteriormente. O compressor 1002 pode adotar a forma de um ejetor de fluido, com fluido motivo fornecido pelo(s) ciclo(s) de fluido de trabalho 110-610 via ponto de conexão A (não mostrado, mas correspondendo ao ponto A nas figuras 1-6), e descarregando para o(s) ciclo(s) 110-610 via ponto de conexão D. Na modalidade exemplar ilustrada, o fluido de trabalho é extraído do(s) circuito(s) 110-610 via ponto de conexão B e pré-resfriado por um trocador de calor 1004 antes de ser expandido em um dispositivo de expansão 1006, similar ao dispositivo de expansão 902 descrito anteriormente. Em uma modalidade exemplar, o trocador de calor 1004 pode incluir um trocador de calor de água-CO2, ou ar-CO2. Tal como pode ser percebido, a adição do trocador de calor 1004 pode fornecer capacidade de resfriamento adicional acima daquela que é possível com o sistema de resfriamento 900 mostrado na figura 9.
[070] As expressões “a montante” e “a jusante” tais como usadas neste documento são pretendidas para descrever mais claramente várias modalidades e configurações exemplares da revelação. Por exemplo, “a montante” de uma maneira geral significa para ou contra a direção de fluxo do fluido de trabalho durante operação normal, e “a jusante” de uma maneira geral significa com ou na direção do fluxo do fluido de trabalho durante operação normal.
[071] O exposto anteriormente delineou recursos de diversas modalidades de maneira que os versados na técnica pudessem entender melhor a presente revelação. Os versados na técnica devem perceber que eles podem usam prontamente a presente revelação como uma base para projetar ou modificar outros processos e estruturas para executar os mesmos propósitos e/ou alcançar as mesmas vantagens das modalidades introduzidas neste documento. Os versados na técnica também devem constatar que tais construções equivalentes não divergem do espírito e escopo da presente revelação, e que eles podem fazer várias mudanças, substituições e alterações neste documento sem divergir do espírito e escopo da presente revelação.