BR112016004873B1 - Sistema de máquina térmica tendo um circuito de fluido operacional seletivamente configurável - Google Patents

Sistema de máquina térmica tendo um circuito de fluido operacional seletivamente configurável Download PDF

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Abstract

SISTEMA DE MÁQUINA TÉRMICA TENDO UM CIRCUITO DE FLUIDO OPERACIONAL SELETIVAMENTE CONFIGURÁVEL. São propostos sistemas de máquinas térmicas tendo um circuito de fluido operacional seletivamente configurável. Um sistema de máquina térmica inclui uma bomba que faz circular um fluido operacional através de um circuito de fluido operacional e um expansor que recebe o fluido operacional de um lado de alta pressão do circuito de fluido operacional e converte uma queda de pressão no fluido operacional em energia mecânica. Uma multiplicidade de trocadores de calor residual está seletivamente posicionada do lado de alta pressão e é isolada dele. Cada um de uma multiplicidade de recuperadores está posicionado seletivamente do lado de alta pressão e do lado de baixa pressão ou isolado contra eles. Uma multiplicidade de válvulas é atuada para permitir o controle seletivo sobre qual da multiplicidade de trocadores de calor residual estará posicionado do lado de alta pressão, qual da multiplicidade de recuperadores estará posicionado do lado de alta pressão, e qual da multiplicidade de recuperadores estará posicionado do lado de baixa pressão.

Description

Referência Cruzada a Pedidos Correlatos
[001] Este pedido reivindica prioridade ao pedido de utilidade U.S. No. 14/475.640, depositado em 3 de setembro de 2014; pedido de utilidade U.S. No. 14/475.678, depositado em 3 de setembro de 2014; Pedido provisório U.S. No. 61/874.321, depositado em 5 de setembro de 2013; pedido provisório U.S. No. 62/010.731, depositado em 11 de junho de 2014; e pedido provisório US. No. 62/010.706, depositado em 11 de junho de 2014. Estes pedidos de prioridade são incorporados ao presente documento a título de referência integralmente na medida em que são consistentes com o presente pedido.
Antecedentes
[002] O calor residual é frequentemente criado como um produto secundário de processos industriais onde correntes de líquidos, gases ou fluido a altas temperaturas devem ser descarregados para o meio ambiente ou ser removidos de algum modo em um esforço para manter as temperaturas operacionais dos equipamentos de processo industriais. Alguns processos industriais utilizam dispositivos trocadores de calor para capturar e reciclar o calor residual de volta ao processo por meio de outras correntes de processo. No entanto a captura e a reciclagem de calor residual são geralmente inviáveis por processos industriais que utilizam altas temperaturas ou que têm um fluxo de massa insuficiente ou outras condições desfavoráveis.
[003] Portanto, o calor residual pode ser convertido em uma energia útil por uma variedade de sistemas de geradores de turbina ou de máquinas térmicas que empregam métodos termodinâmicos, tais como ciclos de Rankine ou outros ciclos de energia. Ciclos de Rankine e outros ciclos termodinâmicos similares são processos tipicamente à base de vapor de água que recupera e utiliza o calor residual para gerar vapor de água para acionar uma turbina, turbo ou outro expansor conectado a um gerador elétrico, a uma bomba ou a outro dispositivo.
[004] Um ciclo Rankine orgânico utiliza um fluido operacional com um ponto de ebulição mais baixo, em vez de água, durante um ciclo Rankine tradicional. Os fluidos operacionais de ponto de ebulição mais baixo exemplares incluem hidrocarbonetos, tais como hidrocarbonetos leves (propano ou butano, por exemplo) e hidrocarbonetos halogenados, tais como hidroclorofluorcarbonetos (HCFCs) ou hidrofluorcarbonetos (HFCs) (tal como R245fa, por exemplo). Mais recentemente, em vista de problemas tais como instabilidade térmica, toxicidade, inflamabilidade, e custos de produção dos fluidos operacionais de ponto de ebulição mais baixo, alguns ciclos termodinâmicos foram modificados para fazer circular fluidos operacionais diferentes de hidrocarbonetos, tais como amônia.
[005] Um dos fatores primários que afeta a eficiência geral do sistema quando se opera um ciclo de energia ou outro ciclo termodinâmico é ser eficiente na etapa da adição de calor. Os sistemas e ciclos de máquinas térmicas mal projetadas podem ser ineficientes na conversão de calor em energia elétrica além de exigir trocadores de calor de grande porte para efetuar a tarefa. Tais sistemas fornecem energia a um custo muito maior por quilowatt do que os sistemas extremamente otimizados. Os trocadores de calor que são capazes de manipular pressões e temperaturas tão elevadas geralmente são responsáveis por uma grande porção do custo total do sistema de máquinas térmicas.
[006] Como por exemplo, o documento US2013036736A1 difere da presente invenção e descreve apenas um sistema de motor térmico incluindo: um primeiro e segundo trocadores de calor em comunicação térmica com uma fonte de calor residual; uma primeira e segunda turbinas acopladas fluidamente aos respectivos primeiro e segundo trocadores de calor; um primeiro e segundo recuperadores acoplados fluidamente às respectivas primeira e segunda turbinas; e uma bomba para fazer circular um fluido de trabalho através do circuito.
[007] Portanto, há a necessidade de sistemas de máquinas térmicas e métodos para a transformação de energia, em que os sistemas e métodos proporcionem uma eficiência maior gerando ao mesmo tempo trabalho ou eletricidade a partir de energia térmica.
Sumário
[008] Em uma modalidade, um sistema de máquina térmica inclui um circuito para fluido operacional que tem um lado de alta pressão e um lado de baixa pressão e sendo configurado para fazer correr através deles um fluido operacional. Cada um de uma multiplicidade de trocadores de calor residual é configurado para ser acoplado por fluido ao lado de alta pressão do circuito defluido operacional e para estar em comunicação térmica com este lado, para estar acoplado por fluido com uma corrente de fonte de calor e estar em comunicação térmica com esta corrente, e para transferir a energia térmica proveniente da corrente de fonte de calor para o fluido operacional no interior do lado de alta pressão. Cada um de uma multiplicidade de recuperadores se encontra acoplado por fluido ao circuito de fluido operacional e configurado para transferir a energia térmica entre o lado de alta pressão e o lado de baixa pressão do circuito de fluido operacional. Um primeiro expansor está acoplado por fluido ao circuito de fluido operacional e está disposto entre o lado de alta pressão e o lado de baixa pressão e configurado para converter uma queda de pressão no fluido operacional em energia mecânica. Uma primeira bomba é acoplada por fluido ao circuito de fluido operacional entre o lado de baixa pressão e o lado de alta pressão do circuito de fluido operacional e configurada para fazer circular ou pressurizar o fluido operacional dentro do circuito de fluido operacional. Um primeiro condensador se encontra em comunicação térmica com o fluido operacional do lado de baixa pressão do circuito de fluido operacional e configurado para remover a energia térmica do fluido operacional do lado de baixa pressão do circuito de fluido operacional.
[009] Em outra modalidade, um sistema de máquina térmica inclui uma bomba configurada para pressurizar e fazer circular um fluido operacional através de um circuito de fluido operacional tendo um lado de alta pressão e um lado de baixa pressão. Um primeiro expansor é configurado para receber o fluido operacional do lado de alta pressão e para converter uma queda de pressão no fluido operacional em energia mecânica. Uma multiplicidade de trocadores de calor residual está disposta em série ao longo de um trajeto de fluxo de uma corrente de fonte de calor e é configurada para transferir a energia térmica proveniente da corrente de fonte de calor para o fluido operacional e para ser seletivamente posicionada do lado de alta pressão ou isolada contra ele. Cada um de uma multiplicidade de recuperadores é configurado para transferir a energia térmica do fluido operacional que corre através do lado de baixa pressão para o fluido operacional que corre através do lado de alta pressão e para ser seletivamente posicionado do lado de alta pressão e do lado de baixa pressão ou ser isolado contra eles. Uma multiplicidade de válvulas é configurada para ser atuada para permitir o controle seletivo sobre qual da multiplicidade de recuperadores está posicionado do lado de alta pressão e qual da multiplicidade de recuperadores está posicionado do lado de baixa pressão.
[0010] Em outra modalidade, o sistema de máquina térmica inclui um circuito de fluido operacional tendo um lado de alta pressão e um lado de baixa pressão e sendo configurado para fazer um fluido operacional correr através deles. Um primeiro expansor é configurado para receber o fluido operacional do lado de alta pressão e para converter uma queda de pressão no fluido operacional em energia mecânica. Um segundo expansor é configurado para receber o fluido operacional do lado de alta pressão e para converter a queda de pressão no fluido operacional em energia mecânica. Uma multiplicidade de trocadores de calor residual é disposta em série ao longo de um trajeto de fluxo de uma corrente de fonte de calor e configurada para transferir a energia térmica da corrente de fonte de calor para o fluido operacional e para ser seletivamente posicionado do lado de alta pressão ou ser isolada contra ele. Cada um de uma multiplicidade de recuperadores é configurado para transferir a energia térmica do fluido operacional que corre através do lado de baixa pressão para o fluido operacional que corre através do lado de alta pressão e para ser seletivamente posicionado do lado de alta pressão e do lado de baixa pressão ou ser isolado contra eles. Cada uma de uma multiplicidade de válvulas é configurada para ser atuada para permitir um controle seletivo sobre qual da multiplicidade de trocadores de calor residual está posicionado do lado de alta pressão, qual da multiplicidade de recuperadores está posicionado do lado de alta pressão, qual da multiplicidade de recuperadores está posicionado do lado de baixa pressão e qual do primeiro expansor e do segundo expansor deve receber o fluido operacional do lado de alta pressão.
Descrição Sucinta dos Desenhos
[0011] A presente invenção será mais bem compreendida com a leitura da descrição detalhada que segue quando lida com referência às figuras em anexo. Deve ser enfatizado que, de acordo com a prática padrão na indústria, diversas características não são desenhadas na mesma escala. Na verdade as dimensões das diversas características podem ser arbitrariamente aumentadas ou reduzidas para clareza da discussão.
[0012] A Figura 1 ilustra um sistema de máquina térmica tendo um circuito de fluido operacional eletivamente configurável, de acordo com uma ou mais modalidades descritas no presente documento.
[0013] A Figura 2 ilustra outro sistema de máquina térmica tendo um circuito de fluido operacional configurável seletivamente, de acordo com uma ou mais modalidades descritas no presente documento.
[0014] A Figura 3 ilustra um sistema de máquina térmica tendo um sistema de aquecimento de processo, de acordo com uma ou mais modalidades descritas no presente documento.
[0015] A Figura 4A é um gráfico de pressão por entalpia para um ciclo termodinâmico produzido por uma modalidade de um sistema de máquina térmica.
[0016] A Figura 4B é um gráfico de pressão por temperatura para um ciclo termodinâmico produzido por uma modalidade de um sistema de máquina térmica.
[0017] A Figura 4C é um gráfico de barras de taxa de fluxo de massa para um ciclo termodinâmico produzido por uma modalidade de um sistema de máquina térmica.
[0018] A Figura 4D é um gráfico de traços de temperatura para um recuperador para um ciclo termodinâmico produzido por uma modalidade de um sistema de máquina térmica.
[0019] A Figura 4E é um gráfico de traços de temperatura para um recuperador para um ciclo termodinâmico produzido por uma modalidade de um sistema de máquina térmica.
[0020] A Figura 4F é um gráfico de traços de temperatura para um recuperador para um ciclo termodinâmico produzido por uma modalidade de um sistema de máquina térmica.
[0021] A Figura 4G é um gráfico de traços de temperatura para um trocador de calor residual para um ciclo termodinâmico produzido por uma modalidade de um sistema de máquina térmica.
[0022] A Figura 4H é um gráfico de traços de temperatura para um trocador de calor residual para um ciclo termodinâmico produzido por uma modalidade de um sistema de máquina térmica.
[0023] A Figura 4I é um gráfico de traços de temperatura para um trocador de calor residual para um ciclo termodinâmico produzido por uma modalidade de um sistema de máquina térmica.
[0024] A Figura 4J é um gráfico de traços de temperatura para um trocador de calor residual para um ciclo termodinâmico produzido por uma modalidade de um sistema de máquina térmica.
[0025] A Figura 5 é uma vista ampliada de uma porção do gráfico de pressão por entalpia mostrado na Figura 4A.
Descrição Detalhada
[0026] As modalidades descritas no presente documento geralmente propõem sistemas e métodos de máquinas térmicas para a transformação de energia, tal como para gerar energia mecânica e/ou energia elétrica a partir de energia térmica. Mais especificamente, as modalidades descritas propõem sistemas de máquinas térmicas que são habilitadas para a configuração seletiva de um circuito de fluido operacional em uma de diversas configurações diferentes, dependendo de considerações específicas a implementação. Em algumas modalidades, por exemplo, a configuração do circuito de fluido operacional pode ser determinada com base na fonte de calor que fornece a energia térmica ao circuito de fluido operacional. Mais especificamente, em uma modalidade, o sistema de máquina térmica pode incluir uma multiplicidade de válvulas que habilita o fluido operacional a ser seletivamente encaminhado através de um ou mais trocadores de calor residual e de um ou mais recuperadores para ajustar o sistema de máquina térmica à fonte de calor disponível, aumentando assim a eficiência do sistema de máquina térmica na conversão da energia térmica em uma saída energética útil. Estas e outras características dos circuitos de fluido operacional seletivamente configuráveis serão descritos mais detalhadamente abaixo.
[0027] Os sistemas de máquinas térmicas que incluem os circuitos de fluido operacional seletivamente configuráveis, conforme descritos no presente documento, são configurados para converter eficientemente a energia térmica de uma corrente aquecida (uma corrente de calor residual, por exemplo) em uma energia mecânica e/ou energia elétrica úteis. Para tal fim, em algumas modalidades, os sistemas de máquinas térmicas podem utilizar o fluido operacional (dióxido de carbono (CO2), por exemplo) em um estado supercrítico (sc-CO2, por exemplo) e/ou em um estado subcrítico (sub-CO2, por exemplo) no interior do circuito de fluido operacional para a captura ou de outro modo uma absorção da energia térmica da corrente de calor residual com um ou mais trocadores de calor residual. A energia térmica pode ser transformada em energia mecânica por uma turbina de potência e ser subsequentemente transformada em energia elétrica por um gerador de eletricidade acoplado a uma turbina de potência. Além disso, os sistemas de máquinas térmicas podem incluir diversos subsistemas integrados gerenciados por um sistema de controle de processo para maximizar a eficiência do sistema de máquina térmica gerando ao mesmo tempo energia mecânica e/ou energia elétrica.
[0028] Com referência agora aos desenhos, a Figura 1 ilustra uma modalidade de um sistema de máquina térmica 100 tendo um circuito de fluido operacional 102 que pode ser seletivamente configurado por um sistema de controle 101 tal que é estabelecido um trajeto de fluxo de um fluido operacional através de qualquer combinação desejada de uma multiplicidade de trocadores de calor residual 120a, 120b, e 120c, uma multiplicidade de recuperadores 130a, e 130b, turbinas ou expansores 160a e 160b, uma bomba 150a, e um condensador 140a. Para tal fim, uma multiplicidade de válvulas de desvio 116a, 116b e 116c são providas, podendo cada uma delas ser seletivamente posicionada em uma posição aberta ou em uma posição fechada para permitir o encaminhamento do fluido operacional através dos componentes desejados.
[0029] O circuito de fluido operacional 102 geralmente tem um lado de alta pressão e um lado de baixa pressão e é configurado para fazer correr o fluido operacional através do lado de alta pressão e do lado de baixa pressão. Na modalidade da Figura 1, o lado de alta pressão se estende ao longo do trajeto de fluxo do fluido operacional da bomba 150a ao expansor 160a e/ou ao expansor 160b, dependendo de qual dos expansores 160a e 160b está incluído no circuito de fluido operacional 102, e o lado de baixa pressão se estende ao longo do trajeto de fluxo do fluido operacional do expansor 160a e/ou do expansor 160b à bomba 150a. Em algumas modalidades, o fluido operacional pode ser transferido do lado de baixa pressão para o lado de alta pressão por meio de uma válvula de desvio da bomba 141.
[0030] Dependendo das características da implementação dada, o circuito de fluido operacional 102 pode ser configurado de tal modo, que cada um dos componentes disponíveis (trocadores de calor residual 120a, 120b e 120c e os recuperadores 130a e 130b, por exemplo) é seletivamente posicionado do lado de alta pressão e do lado de baixa pressão do circuito de fluido operacional (acoplado por fluido a eles, por exemplo) ou isolado contra eles (não acoplado por fluido a eles, por exemplo). Em uma modalidade, por exemplo, o sistema de controle 101 pode utilizar o processador 103 para determinar qual dos trocadores de calor residual 120a, 120b e 120c e qual dos recuperadores 130a e 130b deve ser posicionado do lado de alta pressão do circuito de fluido operacional 102 (incorpora a este lado, por exemplo). Tal determinação pode ser feita pelo processador 103, por exemplo, recorrendo-se à memória 105 para determinar o modo como ajustar o sistema de máquina térmica 100 para operar com a eficiência máxima com uma fonte de calor dada.
[0031] Para outro exemplo, em uma modalidade, um turbobomba pode ser formado por um eixo propulsor 162 acoplando o segundo expansor 160b e a bomba 150a, de modo tal que o segundo expansor 160b pode acionar a bomba 150a com a energia mecânica gerada pelo segundo expansor 160b. Nesta modalidade, o trajeto de fluxo do fluido operacional da bomba 150a ao segundo expansor 160b pode ser estabelecido acoplando-se seletivamente por fluido o recuperador 130b e o trocador de calor residual 120b ao lado de alta pressão posicionando-se as válvulas de desvio 116a e 116b em uma posição aberta. O trajeto de fluxo do fluido operacional nesta modalidade se estende da bomba 150a, através do recuperador 130b, através da válvula de desvio 116b, através do trocador de calor residual 120b, través da válvula de desvio 116a, e ao segundo expansor 160b. O trajeto de fluxo do fluido operacional através do lado de baixa pressão nesta modalidade se estende do segundo expansor 160b através da linha de descarga de turbina 170b, através do recuperador 130b, através do condensador 140a, e à bomba 150a.
[0032] Além disso, em outra modalidade, o trajeto de fluxo de fluido operacional pode ser estabelecido da bomba 150a ao primeiro expansor 160a acoplando-se por fluido o trocador de calor residual 120c, o recuperador 130a e o trocador de calor residual 120a ao lado de alta pressão. Em tal modalidade, o trajeto de fluxo de fluido operacional através do lado de alta pressão se estende da bomba 150a, através do trocador de calor residual 120c, através da válvula de desvio 116b, através do recuperador 130a, através da válvula de desvio 116a, através do trocador de calor residual 120a, através da válvula limitadora ou de estrangulamento 158a, e ao primeiro expansor 160a. O trajeto de fluxo do fluido operacional através do lado de baixa pressão nesta modalidade se estende do primeiro expansor 160a, através da linha de descarga de turbina 170a, através do recuperador 130a, através do recuperador 130b, através do condensador 140a e à bomba 150a.
[0033] Em uma ou mais modalidades descritas no presente documento, conforme ilustrado nas Figuras 2 e 3, a capacidade de se ajustar o circuito de fluido operacional 102 pode ainda ser mais aumentada provendo-se um trocador de calor residual adicional 130c, uma válvula de desvio adicional 116d, uma multiplicidade de condensadores 140a, 140b e 140c, e uma multiplicidade de bombas 150a, 150b e 150c. Adicionalmente, nesta modalidade, cada um do primeiro e do segundo expansor 160a, 160b pode ser acoplado por fluido ao circuito de fluido operacional 102 ou ser isolado contra ele por meio das válvulas limitadoras ou estranguladoras 158a e 158b, dispostas entre o lado de alta pressão e o lado de baixa pressão, e configuradas para converter uma queda de pressão no fluido operacional em energia mecânica. Deve ser observado que as modalidades reivindicadas pela presente invenção podem incluir qualquer número de trocadores de calor residual, qualquer número de recuperadores, qualquer número de válvulas, qualquer número de bombas, qualquer número de condensadores e qualquer número de expansores, não sendo limitado aos mostrados nas Figuras 1-3. Na verdade de tais componentes nas modalidades ilustradas é dada a título de exemplo somente e qualquer quantidade adequada destes componentes pode ser provida em outras modalidades.
[0034] Em uma modalidade, a multiplicidade de trocadores de calor residual 120a-120d pode conter quatro ou mais trocadores de calor residual, tal como o primeiro trocador de calor residual 120a, o segundo trocador de calor residual 120b, o terceiro trocador de calor residual 120c, e um quarto trocador de calor residual 120d. Cada um dos trocadores de calor residual 120a-120d pode ser acoplado por fluido seletivamente com o lado de alta pressão do circuito de fluido operacional 102 e ser colocado em comunicação térmica com este lado, conforme determinado pelo sistema de controle 101, para ajustar o circuito de fluido operacional 102 às necessidades de uma aplicação dada. Cada um dos trocadores de calor residual 120a-120d pode ser configurado para ser acoplado por fluido com uma corrente de fonte de calor 110 e para estar em comunicação térmica com ela, e configurado para transferir energia térmica da corrente de fonte de calor 110 ao fluido operacional no interior do lado de alta pressão. Os trocadores de calor residual 120a-120d podem ser dispostos em série ao longo da direção do fluxo da corrente de fonte de calor 110. Em uma configuração, no tocante ao fluxo do fluido operacional através do circuito de fluido operacional 102, o segundo trocador de calor residual 120b pode ser disposto a montante do primeiro trocador de calor residual 120a, o terceiro trocador de calor residual 120c pode ser disposto a montante do segundo trocador de calor residual 120b e o quarto trocador de calor residual 120d pode ser disposto a montante do terceiro trocador de calor residual 120c.
[0035] Em algumas modalidades, a multiplicidade de recuperadores 130a-130c pode incluir três ou mais recuperadores, tal como o primeiro recuperador 130a, o segundo recuperador 130b, e um terceiro recuperador 130c. Cada um dos recuperadores 130a-130c pode ser seletivamente acoplado por fluido ao circuito de fluido operacional 102 e configurado para transferir energia térmica entre o lado de alta pressão e o lado de baixa pressão do circuito de fluido operacional 102 quando acoplado por fluido ao circuito de fluido operacional 102. Em uma modalidade, os recuperadores 130a-130c podem ser dispostos em série do lado de alta pressão do circuito de fluido operacional 102 a montante do segundo expansor 160b. O segundo recuperador 130b pode ser disposto a montante do primeiro recuperador 130a, e o terceiro recuperador 130c pode ser disposto a montante do segundo recuperador 130b do lado de alta pressão.
[0036] Em uma modalidade, o primeiro recuperador 130a, o segundo recuperador 130b e o terceiro recuperador 130c podem ser dispostos em série do lado de baixa pressão do circuito de fluido operacional 102, de modo tal, que o segundo recuperador 130b pode ser disposto à jusante do primeiro recuperador 130a, e o terceiro recuperador 130c pode ser disposto à jusante do segundo recuperador 130b do lado de baixa pressão. O primeiro recuperador 130a pode ser disposto à jusante do primeiro expansor 160a do lado de baixa pressão e o segundo recuperador 130b pode ser disposto à jusante do segundo expansor 160b do lado de baixa pressão.
[0037] A corrente de fonte de calor 110 pode ser uma corrente de calor residual, tal como, mas sem limitação, uma corrente de exaustão de turbina a gás, uma corrente de exaustão de processo industrial, ou outros tipos de correntes de exaustão de produtos de combustão tais como correntes de exaustão de fornos ou de caldeiras, provenientes ou derivadas de uma fonte de calor 108. Em algumas modalidades exemplares, a fonte de calor 108 pode ser uma turbina a gas, tal como um gerador de potência/eletricidade de turbina a gas, ou de um motor a jato de turbina a gas, e a corrente de fonte de calor 110 pode ser uma corrente de exaustão proveniente da turbina a gás. A corrente de fonte de calor 110 pode se encontrar a uma temperatura dentro dos limites de aproximadamente 100°C e aproximadamente 1.000°C, ou acima de 1.000°C, e em alguns exemplos, dentro dos limites de aproximadamente 200°C e aproximadamente 800°C, de modo mais restrito dentro dos limites de aproximadamente 300°C e aproximadamente 600°C. A corrente de fonte de calor 110 pode conter ar, dióxido de carbono, monóxido de carbono, água ou vapor de água, nitrogênio, oxigênio, argônio, seus derivados ou suas misturas. Em algumas modalidades, a corrente de fonte de calor 110 pode derivar a energia térmica de fontes renováveis de energia térmica, tais como fontes solar ou geotérmica.
[0038] O sistema de máquina térmica 100 também inclui pelo menos um condensador 140a e pelo menos uma bomba 150a, mas em algumas modalidades inclui uma multiplicidade de condensadores 140a-140c e uma multiplicidade de bombas 150a-150c. Um primeiro condensador 140a pode se encontrar em comunicação térmica com o fluido operacional do lado de baixa pressão do circuito de fluido operacional 102 e configurado para remover energia térmica do fluido operacional do lado de baixa pressão. Uma primeira bomba 150a pode estar acoplada por fluido ao circuito de fluido operacional 102 entre o lado de baixa pressão e o lado de alta pressão do circuito de fluido operacional 102 e configurada para fazer circular ou pressurizar o fluido operacional no interior do circuito de fluido operacional 102. A primeira bomba 150a pode ser configurada para controlar a taxa de fluxo de massa, a pressão ou a temperatura do fluido operacional no interior do circuito de fluido operacional 102.
[0039] Em outras modalidades, cada um do segundo condensador 140b e do terceiro condensador 140c pode estar acoplado por fluido ao fluido operacional do lado de alta pressão do circuito de fluido operacional 102 e estar em comunicação térmica com este fluido, e ser configurado para remoer energia térmica do fluido operacional do lado de baixa pressão do circuito de fluido operacional 102. Além disso, cada uma de uma segunda bomba 150b e de uma terceira bomba 150c pode ser independentemente acoplada por fluido ao lado de baixa pressão do circuito de fluido operacional 102 e configurada para fazer circular ou pressurizar o fluido operacional dentro do circuito de fluido operacional 102. A segunda bomba 150b pode ser disposta a montante da primeira bomba 150a e a jusante da terceira bomba 150c ao longo da direção de fluxo do fluido operacional através do circuito de fluido operacional 102. Em uma modalidade exemplar a primeira bomba 150a é uma bomba de circulação, a segunda bomba 150b é substituída por um compressor e a terceira bomba 150c é substituída por um compressor.
[0040] Em alguns exemplos, a terceira bomba 150c é substituída por um compressor de primeiro estágio, a segunda bomba 150b é substituída por um compressor de segundo estágio, e a primeira bomba 150a é uma bomba de terceiro estágio. O segundo condensador 140b pode ser disposto a montante do primeiro condensador 140a e a jusante do terceiro condensador 140c ao longo da direção de fluxo do fluido operacional através do circuito de fluido operacional 102. Em outra modalidade, o sistema de máquina térmica 100 inclui três estágios de bombas e condensadores, tais como primeiro, segundo e terceiro estágios de bombas/condensadores. O primeiro estágio de bomba/condensador pode incluir o terceiro condensador 140c acoplado por fluido ao circuito de fluido operacional 102 a montante da terceira bomba 150c, o segundo estágio de bomba/condensador pode incluir o segundo condensador 140b acoplado por fluido ao circuito de fluido operacional 102 a montante da segunda bomba 150b, e o terceiro estágio de bomba/condensador pode incluir o primeiro condensador 140a acoplado por fluido ao circuito de fluido operacional 102 a montante da primeira bomba 150a.
[0041] Em alguns exemplos, o sistema de máquina térmica 100 pode incluir um variador de frequência acoplado à primeira bomba 150a, à segunda bomba 150b, e/ou à terceira bomba 150c. O variador de frequência pode ser configurado para controlar a taxa de fluxo de massa, pressão ou temperatura do fluido operacional dentro do circuito de fluido operacional 102. Em outros exemplos, o sistema de máquina térmica 100 pode incluir uma turbina de propulsão acoplada à primeira bomba 150a, à segunda bomba 150b ou à terceira bomba 150c. A turbina de propulsão pode ser configurada para controlar a taxa de fluxo de massa, pressão ou temperatura do fluido operacional dentro do circuito de fluido operacional 102. A turbina de propulsão pode ser o primeiro expansor 160a, o segundo expansor 160b, outro expansor ou turbina, ou uma combinação deles.
[0042] Em outra modalidade, o eixo propulsor 162 pode ser acoplado ao primeiro expansor 160a e ao segundo expansor 160b de modo tal, que o eixo propulsor 162 pode ser configurado para acionar um dispositivo com a energia mecânica produzida ou de outro modo qualquer gerada pela combinação do primeiro expansor 160a e segundo expansor 160b. Em algumas modalidades, o dispositivo pode consistir nas bombas 150a-150c, em um compressor, um gerador 164, um alternador ou em combinações deles. Em uma modalidade, o sistema de máquina térmica 100 pode incluir o gerador 164 ou um alternador acoplado ao primeiro expansor 160a pelo eixo propulsor 162. O gerador 164 ou o alternador pode ser configurado para converter a energia mecânica produzida pelo primeiro expansor 160a em energia elétrica. Em outra modalidade, o eixo propulsor 162 pode ser acoplado ao segundo expansor 160b e à primeira bomba 150a, de modo tal, que o segundo expansor 160b possa ser configurado para acionar a primeira bomba 150a com a energia mecânica produzida pelo segundo expansor 160b.
[0043] Em outra modalidade, conforme ilustrado na Figura 3, o sistema de máquina térmica 100 pode incluir um sistema de aquecimento de processo 230 acoplado por fluido ao lado de baixa pressão do circuito de fluido operacional 102 e em comunicação térmica com ele. O sistema de aquecimento de processo 230 pode incluir um trocador de calor de processo 236 e uma válvula de controle 234 operativamente disposta em uma linha de fluido 232 acoplada ao lado de baixa pressão e sob o controle do sistema de controle 101. O trocador de calor de processo 236 pode ser configurado para transferir a energia térmica do fluido operacional do lado de baixa pressão do circuito de fluido operacional 102 para um fluido de transferência de calor que corra através do trocador de calor de processo 236. Em alguns exemplos, o trocador de calor de processo 236 pode ser configurado para transferir a energia térmica do fluido operacional do lado de baixa pressão do circuito de fluido operacional 102 para metano durante uma etapa de preaquecimento para formar um fluido de metano aquecido. A energia térmica pode ser transferida direta ou indiretamente (por meio de um fluido de transferência de calor, por exemplo) para o fluido de metano. A corrente de fonte de calor 110 pode ser derivada da fonte de calor 108 configurada para produzir a combustão do fluido de metano aquecido, tal como um gerador de eletricidade de turbina a gas.
[0044] Em outra modalidade, conforme ilustrado na Figura 3, o sistema de máquina térmica 100 pode incluir um sistema de barramento de recuperadores 220 acoplado por fluido ao lado de baixa pressão do circuito de fluido operacional 102 e em comunicação térmica com ele. O sistema de barramento de recuperadores 220 pode incluir linhas de descarga de turbina 170a, 170b, válvulas de controle 168a, 168b, linha de desvio 210 e válvula de desvio 212, linhas de fluido 222, 224, e outras linhas e válvulas acopladas por fluido ao circuito de fluido operacional 102 a jusante do primeiro expansor 160a e/ou do segundo expansor 160b e a montante do condensador 140a. Em geral, o sistema de barramento de recuperadores 220 se estende do primeiro expansor 160a e/ou do segundo expansor 160b à multiplicidade de recuperadores 130a-130c, e mais adiante a jusante do lado de baixa pressão. Em um exemplo, uma extremidade de uma linha de fluido 222 pode estar acoplada por fluido à linha de descarga de turbina 170b, e a outra extremidade da linha de fluido 222 pode estar acoplada por fluido a um ponto no circuito de fluido operacional 102 disposto a jusante do recuperador 130c e a montante do condensador 140c. Em outro exemplo, uma extremidade da linha de fluido 224 pode ser acoplada por fluido à linha de descarga de turbina 170b, à linha de fluido 222 ou à linha de aquecimento de processo 232, e a outra extremidade da linha de fluido 224 pode estar acoplada por fluido a um ponto do circuito de fluido operacional 102 disposto a jusante do recuperador 130b e a montante do recuperador 130c do lado de baixa pressão.
[0045] Em algumas modalidades, os tipos de fluido operacional que pode se fazer circular, correr, ou que se possa utilizar de outro modo qualquer no circuito de fluido operacional 102 do sistema de máquina térmica 100 incluem óxidos de carbono, hidrocarbonetos, álcoois, cetonas, hidrocarbonetos halogenados, amônia, aminas, aquosos ou combinações deles. Fluidos operacionais exemplares que podem ser utilizados no sistema de máquina térmica 100 incluem dióxido de carbono, amônia, metano, etano, propano, butano, etileno, propileno, butileno, acetileno, metanol, etanol, acetona, metil etil cetona, água, seus derivados ou suas misturas. Os hidrocarbonetos halogenados podem incluir hidroclorofluorcarbonetos (HCFCs), hidrofluorcarbonetos (HFCs) (tal como 1,1,1,3,3,-pentafluorpropano (R245fa)), fluorcarbonetos, seus derivados ou suas misturas.
[0046] Em muitas modalidades descritas no presente documento, o fluido operacional que se faz circular, correr ou que se utiliza de qualquer outro modo no circuito de fluido operacional 102 do sistema de máquina térmica 100 e os outros circuitos exemplares descritos no presente documento, podem consistir em dióxido de carbono (CO2) ou conter o mesmo e em misturas contendo dióxido de carbono. Em geral, pelo menos uma porção do circuito de fluido operacional 102 contém o fluido operacional em um estado supercrítico (sc-CO2, por exemplo). O dióxido de carbono utilizado como fluido operacional ou contido no fluido operacional para ciclos de geração de energia tem muitas vantagens em comparação com outros compostos tipicamente usados como fluidos operacionais, uma vez que o dióxido de carbono tem as propriedades de ser não tóxico e não inflamável, sendo também facilmente disponível e relativamente barato. Devido em parte a uma pressão operacional relativamente elevada do dióxido de carbono, um sistema de dióxido de carbono pode ser muito mais compacto do que sistemas que utilizam outros fluidos operacionais. A alta densidade e capacidade térmica volumétrica do dióxido de carbono em comparação com outros fluidos operacionais torna o dióxido de carbono um fluido com mais “densidade energética” significando que o tamanho de todos os componentes de sistema pode ser consideravelmente reduzido sem se perder o desempenho. Deve ser observado que o uso dos termos dióxido de carbono (CO2), dióxido de carbono supercrítico (sc-CO2), ou dióxido de carbono subcrítico (sub-CO2) não se destina a ser limitado ao dióxido de carbono de qualquer tipo, fonte, pureza ou categoria específico. O dióxido de carbono de categoria industrial, por exemplo, pode estar contido no fluido operacional e ser usado como fluido operacional sem que haja desvio do âmbito da invenção.
[0047] Em outras modalidades exemplares, o fluido operacional no circuito de fluido operacional 102 pode ser uma mistura binária, uma mistura ternária ou outra mistura de fluidos operacionais. A mistura de fluidos operacionais ou combinação pode ser selecionada para se obter os atributos específicos possuídos pela combinação de fluidos dentro de um sistema de recuperação de calor, conforme descrito no presente documento. Por exemplo, uma combinação de fluidos deste tipo inclui uma mistura de absorvente líquido e dióxido de carbono que permite que o fluido combinado seja bombeado em um estado líquido até uma pressão elevada e com uma utilização menor de energia do que é necessária para comprimir o dióxido de carbono. Em outra modalidade exemplar, o fluido operacional pode ser uma combinação de dióxido de carbono (sub-CO2 ou sc-CO2, por exemplo) e um ou mais fluídos ou compostos químicos miscíveis. Em outras modalidades exemplares ainda, o fluido operacional pode ser uma combinação de dióxido de carbono e propano, ou dióxido de carbono e amônia, sem constituir um desvio do âmbito da invenção.
[0048] O circuito de fluido operacional 102 geralmente tem um lado de alta pressão e um lado de baixa pressão e contém um fluido operacional que circula no interior do circuito de fluido operacional 102. O uso do termo “fluido operacional” não se destina a limitar o estado ou fase material do fluido operacional. O fluido operacional, ou porções de fluido operacional, por exemplo, pode se encontrar em uma fase líquida, uma fase gasosa, uma fase de fluido, um estado subcrítico, um estado supercrítico ou qualquer outra fase ou estado e qualquer um ou mais pontos no sistema de máquina térmica 100 ou ciclo termodinâmico. Em uma ou mais modalidades, tal como durante um processo de inicialização, o fluido operacional se encontra em um estado supercrítico em determinadas porções do circuito de fluido operacional 102 do sistema de máquina térmica 100 (lado de alta pressão, por exemplo) e em um estado subcrítico em outras porções do circuito de fluido operacional 102 do sistema de máquina térmica 100 (um lado de baixa pressão, por exemplo). Em outras modalidades, o ciclo termodinâmico total pode ser operado de modo tal, que o fluido operacional seja mantido em um estado supercrítico em todo o circuito de fluido operacional 102 do sistema de máquina térmica 100.
[0049] Em modalidades descritas no presente documento, em termos amplos, o lado de alta pressão do circuito de fluido operacional 102 pode ser disposto à jusante de qualquer uma das bombas 150a, 150b ou 150c e a montante de qualquer um dos expansores 160a ou 160b, e o lado do circuito de fluido operacional 102 pode ser disposto à jusante de qualquer um dos expansores 160a ou 160b e a montante de qualquer uma das bombas 150a, 150b ou 150c, dependendo de considerações específicas a implementação, tais como o tipo de fonte de calor disponível, das condições de processo, incluindo temperatura, processo, taxa de fluxo e se no caso de cada bomba 150a, 150b ou 150c se trata de uma bomba ou de um compressor, e assim por diante. Em uma modalidade exemplar, as bombas 150b e 150c são substituídas por compressores e a bomba 150a é uma bomba, e o lado de alta pressão do circuito de fluido operacional 102 pode ser iniciado a jusante da bomba 150a, tal como na saída de descarga da bomba 150a, e terminar em qualquer um dos expansores 160a ou 160b, e o lado de baixa pressão do circuito de fluido operacional 102 pode ser iniciado a jusante de qualquer um dos expansores 160a ou 160b e terminar a montante da bomba 150a, tal como na entrada da bomba 150a.
[0050] Geralmente, o lado de alta pressão do circuito de fluido operacional 102 contém o fluido operacional (sc-CO2, por exemplo) a uma pressão de aproximadamente 15 MPa ou mais, tal como de aproximadamente 17 MPa ou mais ou de aproximadamente 20 MPa ou mais ou de aproximadamente 25 MPa ou mais, ou de aproximadamente 27 MPa ou mais. Em alguns exemplos, o lado de alta pressão do circuito de fluido operacional 102 pode ter uma pressão dentro dos limites de aproximadamente 15 MPa a aproximadamente 40 MPa, mais estritamente dentro dos limites de aproximadamente 20 MPa a aproximadamente 35 MPa e mais restritamente ainda dentro dos limites de aproximadamente 25 MPa a aproximadamente 30 MPa, tal como de aproximadamente 27 MPa.
[0051] O lado de baixa pressão do circuito de fluido operacional 102 inclui o fluido operacional (CO2, por exemplo, ou sub-CO2) a uma pressão inferior a 15 MPa, tal como de aproximadamente 12 MPa ou menos ou de aproximadamente 10 MPa ou menos. Em alguns exemplos, o lado de baixa pressão do circuito de fluido operacional 102 pode ter uma pressão dentro de limites de aproximadamente 1 MPa a aproximadamente 10 MPa, mais restritamente dentro dos limites de aproximadamente 2 MPa a aproximadamente 8 MPa, e mais restritamente ainda dentro dos limites de aproximadamente 4 MPa a aproximadamente 6 MPa, tal como tendo aproximadamente 5 MPa.
[0052] O sistema de máquina térmica 100 inclui ainda o expansor 160a, o expansor 160b e o eixo motor 162. Cada um dos expansores 160a, 160b pode ser acoplado por fluido ao circuito de fluido operacional 102 e estar disposto entre os lados de alta e de baixa pressão e ser configurado para converter uma queda de pressão no fluido operacional em energia mecânica. O eixo motor 162 pode ser configurado para acionar um ou mais dispositivos, tais como um gerador ou alternador (o gerador 164, por exemplo), um motor, uma unidade gerador/motor, uma bomba ou compressor (as bombas 150a-150c, por exemplo) e/ou outros dispositivos, com a energia mecânica gerada.
[0053] O gerador 164 pode ser um gerador, um alternador (alternador magnético permanente, por exemplo), ou outro dispositivo para gerar energia elétrica, tal como pela transformação da energia mecânica do eixo motor 162 e um ou mais dos expansores 160a, 160b em energia elétrica. Uma saída de potência (não mostrada) pode ser acoplada eletricamente ao gerador 164 e ser configurada para transferir a energia elétrica gerada do gerador 164 para a rede elétrica 166. A rede elétrica 166 pode consistir em uma rede elétrica, em um barramento elétrico (um barramento de fábrica), componentes eletrônicos de potência, outros circuitos elétricos ou suas combinações, ou então pode incluí-los. A rede elétrica 166 geralmente contém pelo menos um barramento de corrente alternada, uma rede de corrente alternada, um circuito de corrente alternada ou suas combinações. Em um exemplo, o gerador 164 é um gerador e está conectado elétrica e operativamente à rede elétrica 166 por meio da saída da potência. Em outro exemplo, o gerador 164 é um alternador e é elétrica e operativamente conectado a componentes eletrônicos de potência (não mostrados) por meio da saída de potência. Em outro exemplo, o gerador 164 é conectado eletricamente a componentes eletrônicos de potência que estão conectados à saída de potência.
[0054] O sistema de máquina térmica 100 inclui ainda pelo menos uma bomba/compressor e pelo menos um condensador/resfriador, mas determinadas modalidades geralmente incluem uma multiplicidade de condensadores 140a-140c (condensador ou resfriador, por exemplo) e bombas 150a-150c (bomba ou compressor, por exemplo). Cada um dos condensadores 140a-140c pode ser independentemente um condensador ou um resfriador e pode ser independentemente resfriado a gas (ar, nitrogênio ou dióxido de carbono, por exemplo) ou resfriado a líquido (água, solvente, ou uma mistura deles, por exemplo). Cada uma das bombas 150a-150c pode ser independentemente uma bomba ou pode ser substituída por um compressor e pode ser independentemente acoplada por fluido do circuito de fluido operacional 102 entre o lado de alta pressão e o lado de baixa pressão do circuito de fluido operacional 102. Além disso, cada uma das bombas 150a-150c pode ser configurada para fazer circular e/ou pressurizar o fluido operacional no interior do circuito de fluido operacional 102. Os condensadores 140a-140c podem estar em comunicação térmica como fluido operacional dentro do circuito de fluido operacional 102 e ser configurados para remover a energia térmica do fluido operacional do lado de baixa pressão do circuito de fluido operacional 102.
[0055] Depois de sair da bomba 150a, o fluido operacional pode correr através dos trocadores de calor residual 120a-120d e/ou dos recuperadores 130a-130c antes de entrar no expansor 160a e/ou do expansor 160b. Uma série de válvulas e linhas (condutos ou tubulações, por exemplo) que incluem as válvulas de desvio 116a-116d, as válvulas limitadores ou de controle 118a-118d, as válvulas limitadoras ou de controle 128a-128c, e as válvulas limitadoras ou estranguladores 158a, 158b podem ser utilizadas em diferentes posições abertas e posições fechadas para controlar o fluxo do fluido operacional através dos trocadores de calor residual 120a-120d e/ou dos recuperadores 130a-130c. Portanto, tais válvulas podem proporcionar controle e ajustabilidade à temperatura do fluido operacional que entra no expansor 160a e/ou no expansor 160b. As válvulas podem consistir em válvulas controláveis, fixas (de orifício), diversoras, de 3 vias ou mesmo ser eliminadas em algumas modalidades. De modo análogo, cada um dos componentes (trocadores de calor residual adicionais, por exemplo, e recuperadores podem ser usados ou eliminados em algumas modalidades). O recuperador 130b, por exemplo, pode não ser utilizado em algumas aplicações.
[0056] O eixo comum ou eixo motor 162 pode ser empregado, ou, em outras modalidades, dois ou mais eixos podem ser usados em conjunto ou independentemente com as bombas 150a-150c, com os expansores 160a, 160b, com o gerador 164 e/ou com outros componentes. Em um exemplo, o expansor 160b, e a bomba 150a compartilham um eixo comum, e o expansor 160a e o gerador 164 compartilham outro eixo comum. Em outro exemplo, os expansores 160a, 160b, a bomba 150a, e o gerador 164 compartilham um eixo comum, tal como um eixo motor 162. As outras bombas podem ser integradas com o eixo também. Em outra modalidade, o sistema de aquecimento de processo 230 pode ser uma alça para proporcionar energia térmica ao combustível de fonte de calor, uma turbina a gas com combustível preaquecido (metano, por exemplo), vapor de água de processo, ou outros fluidos.
[0057] As Figuras 4A-4J e 5 ilustram gráficos de pressão por entalpia, gráficos de traços de temperatura, e gráficos de traços de temperatura de recuperador para ciclos termodinâmicos produzidos pelo sistema de máquina térmica 100 ilustrado nas Figuras 1-3, de acordo com uma ou mais modalidades descritas no presente documento. Mais especificamente, a Figura 4A é um gráfico de pressão por entalpia 300 para um ciclo termodinâmico produzido pelo sistema de máquina térmica 100. A Figura 4B é um gráfico de pressão por temperatura 302 para o ciclo termodinâmico e a Figura 4C é um gráfico de barras de taxa de fluxo de massa 304 para o ciclo termodinâmico. A Figura 4D, a Figura 4E, e a Figura 4F são gráficos de traços de temperatura 306, 308 e 310 para o recuperador 130a, para o recuperador 130b, e para o recuperador 130c, respectivamente, para o ciclo termodinâmico produzido pelo sistema de máquina térmica 100. A Figura 4G, a Figura 4H, a Figura 4I e a Figura 4J são gráficos de traços de temperatura 312, 314, 316, 318 para o trocador de calor residual 120a, o trocador de calor residual 120b, o trocador de calor residual 120c, e o trocador de calor residual 120d, respectivamente, para o ciclo termodinâmico.
[0058] A Figura 5 é uma vista ampliada de uma porção 320 do gráfico de pressão por entalpia 300 mostrado na Figura 4A. O gráfico de pressão por entalpia ilustra pontos de estado rotulados para o ciclo termodinâmico do sistema de máquina térmica 100. Em uma modalidade, os ciclos termodinâmicos de potência descritos podem incluir um uso maior de recuperação à medida que aumenta a temperatura ambiente, minimizando o uso de trocadores de calor caros e aumentando o rendimento líquido de potência do sistema para algumas condições ambientes.
[0059] Deve ser observado que o presente documento descreve diversas modalidades exemplares para a implementação de diferentes características, estruturas ou funções da presente invenção. As modalidades exemplares de componentes, arranjos e configurações são descritas no presente documento para simplificar a presente invenção, no entanto, estas modalidades exemplares são dadas simplesmente a título de exemplo e não se destinam a limitar o âmbito da presente invenção. Adicionalmente, a presente invenção pode repetir números e/ou letras de referência nas diversas modalidades exemplares e em todas as figuras dadas no presente documento. Esta repetição se destina à simplicidade e à clareza e não determina em si uma relação entre as diversas modalidades exemplares e/ou as configurações discutidas nas diversas figuras. Além disso, a formação de um primeiro elemento sobre ou acima de um segundo elemento na presente invenção pode incluir modalidades em que o primeiro e o segundo elemento são formados em contato direto e pode também incluir modalidades em que elementos adicionais podem ser formados interpostos entre o primeiro e o segundo elemento, de modo tal, que o primeiro e o segundo elemento podem não estar em contato direto. Finalmente, as modalidades exemplares descritas no presente documento podem ser combinadas de qualquer combinação de modos, isto é, qualquer elemento de uma modalidade exemplar pode ser usado em qualquer outra modalidade exemplar, sem que haja desvio do âmbito da presente invenção.
[0060] Adicionalmente, determinados termos são usados em toda a descrição escrita e nas reivindicações para se referir a componentes específicos. Conforme poderá ser observado pelos versados na técnica, diversas entidades podem se referir ao mesmo componente por nomes diferentes, e, por este motivo, a convenção de denominação para os elementos descritos no presente documento não se destina a limitar o âmbito da presente invenção, a não ser que seja especificamente definido em contrário no presente documento. Além disso, a convenção de denominação usada no presente documento não se destina a fazer uma distinção entre componentes que diferem em nome, mas não em função. Além disso, na descrição escrita e nas reivindicações, os termos “incluindo”, “contendo”, e “compreendendo” são usados de um modo de extremidades abertas, e, deste modo, devem ser interpretadas como significando “incluindo, mas sem limitação”. Todos os valores numéricos nesta descrição podem ser valores exatos ou aproximados, a não ser que seja especificamente declarado em contrário. Consequentemente, diversas modalidades da presente invenção podem se desviar dos números, valores e limites descritos no presente documento, sem que haja desvio do âmbito pretendido. Além disso, conforme é usado nas reivindicações ou no relatório, o termo “ou” se destina a abranger tanto casos exclusivos como inclusivos, isto é, “A ou B” se destina a ser sinônimo de “pelo menos um de A e B”, a não ser que seja expressamente especificado em contrário no presente documento.
[0061] O exposto acima deu uma visão geral de elementos de diversas modalidades, de modo que os versados na técnica possam compreender melhor a presente invenção. Os versados na técnica devem observar que eles podem prontamente utilizar a presente invenção como uma base para projetar ou modificar outros processos e estruturas para atingir os mesmos fins e/ou obter as mesmas vantagens das modalidades apresentadas no presente documento. Os versados na técnica devem também observar que tais construções equivalentes não se desviam do espírito e do âmbito da presente invenção, e que eles podem introduzir diversas alterações, substituições e alterações ao presente documento sem que haja desvio do espírito e âmbito da presente invenção.

Claims (8)

1. Sistema de máquina térmica (100) que compreende: uma bomba (150a) configurada para pressurizar e fazer circular um fluido operacional através de um circuito de fluido operacional (102) tendo um lado de alta pressão e um lado de baixa pressão; um primeiro expansor (160a) configurado para receber o fluido operacional do lado de alta pressão e converter uma queda de pressão no fluido operacional em energia mecânica e descarregar o fluido operacional para o lado de baixa pressão; uma multiplicidade de trocadores de calor residual (120a-d) dispostos em série ao longo de um trajeto de fluxo de uma corrente de fonte de calor (110) e cada um deles configurado para transferir a energia térmica da corrente de fonte de calor (110) para o fluido operacional e para ser seletivamente posicionado do lado de alta pressão e isolado contra ele; e uma multiplicidade de recuperadores (130a-c), cada um deles configurado para transferir a energia térmica proveniente do fluido operacional que corre através do lado de baixa pressão para o fluido operacional que corre através do lado de alta pressão e para ser seletivamente posicionado no lado de alta pressão e no lado de baixa pressão; o sistema CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda: uma multiplicidade de válvulas (116a-d 118a-d, 128a-c), sendo cada uma delas configurada para ser acionada para a posição aberta, para a posição fechada ou para a posição parcialmente aberta para permitir um controle seletivo sobre se um ou mais da multiplicidade de trocadores de calor residual (120a-d) estão posicionados no lado de alta pressão, e para permitir o controle seletivo sobre se um ou mais da multiplicidade de recuperadores (130a-c) estão posicionados no lado de alta pressão e no lado de baixa pressão.
2. Sistema de máquina térmica (100), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO por compreender ainda um segundo expansor (160b) configurado para receber o fluido operacional do lado de alta pressão e converter a queda de pressão no fluido operacional em energia mecânica.
3. Sistema de máquina térmica (100), de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO por compreender ainda uma válvula limitadora (158b) configurada para ser posicionada em uma posição aberta para acoplar por fluido o segundo expansor (160b) ao lado de alta pressão ou em uma posição fechada para isolar por fluido o segundo expansor (160b) do lado de alta pressão.
4. Sistema de máquina térmica (100), de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato do lado de baixa pressão compreender um trajeto de fluxo do fluido operacional do segundo expansor (160b), através da multiplicidade de recuperadores (130a-c), através de um condensador (140a), e para a bomba (150a).
5. Sistema de máquina térmica (100), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato do lado de baixa pressão compreender um trajeto de fluxo de fluido operacional do primeiro expansor (160a), através de uma multiplicidade de recuperadores (130a-c), através de um condensador (140a) e para a bomba (150a).
6. Sistema de máquina térmica (100), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO por compreender ainda uma válvula de desvio de bomba (141) acoplada por fluido ao lado de baixa pressão e configurado para permitir a transferência do fluido operacional do lado de baixa pressão para o lado de alta pressão.
7. Sistema de máquina térmica (100), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO por compreender ainda um sistema de barramento de recuperadores (220) acoplado por fluido e em comunicação térmica com o lado de baixa pressão do circuito de fluido operacional (102).
8. Sistema de máquina térmica (100), de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato do sistema de barramento de recuperadores (220) compreender linhas de fluido (170a, 170b) e válvulas (168a, 168b) acopladas por fluido ao circuito de fluido operacional (102) a jusante do primeiro expansor (160a) e acopladas por fluido à multiplicidade de recuperadores (130a-c).
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