BR112016019829B1

BR112016019829B1 - Método para gerar energia em um sistema que inclui um ciclo de fluido supercrítico e sistema configurado para gerar energia

Info

Publication number: BR112016019829B1
Application number: BR112016019829-8A
Authority: BR
Inventors: David S. Stapp
Original assignee: Peregrine Turbine Technologies, Llc
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2015-02-26
Publication date: 2022-01-25
Also published as: CN106574552A; US10385735B2; KR102297668B1; CN106574552B; US20170226901A1; EP3111074B1; EP3111074A4; EP3111074A1; US9657599B2; JP6542786B2; BR112016019829A2; US11047264B2; JP2017506719A; US20150240665A1; WO2015130898A1; KR20160125443A; US20200088067A1

Abstract

método para gerar energia em um sistema que inclui um ciclo de fluido supercrítico e sistema configurado para gerar energia a presente divulgação refere-se a um sistema de geração de energia e métodos relacionados que utilizam fluidos supercríticos pelos quais uma porção do fluido supercrítico é recuperada.

Description

Campo técnico

[0001] A presente invenção refere-se a um sistema de geração de energia e métodos relacionados que utilizam fluidos supercríticos, e em particular, a um sistema de geração de energia e métodos relacionados onde uma porção do fluido supercrítico é recuperada.

Antecedentes

[0002] Tradicionalmente, ciclos de geração de energia termodinâmicos, tais como o ciclo de Brayton, empregam um gás ideal, tal como ar atmosférico. Tais ciclos são tipicamente abertos no sentido que, após o ar fluir através dos componentes do ciclo, ele é descarregado de volta para a atmosfera a uma temperatura relativamente elevada de modo que uma quantidade considerável de calor gerado pela combustão do combustível é perdida a partir do ciclo. Uma abordagem comum para a captura e utilização do calor residual em um ciclo de Brayton é usar um recuperador para extrair calor a partir dos gases de exaustão da turbina e transferi-los, através de um trocador de calor, para o descarregamento de ar a partir do compressor. Uma vez que tal transferência de calor aumenta a temperatura do ar entrando na câmara de combustão, menos combustível é necessário para alcançar a temperatura de entrada da turbina desejada. O resultado são as eficiências térmicas melhoradas para o ciclo termodinâmico geral. No entanto, mesmo em tais ciclos recuperados, a eficiência térmica é limitada pelo fato que a temperatura do gás de exaustão da turbina nunca pode ser arrefecida abaixo daquela do ar de descarga do compressor, uma vez que o calor só pode fluir a partir de uma fonte de alta temperatura para um dissipador de temperatura inferior. Mais recentemente, interesse tem surgido a respeito da utilização de fluidos supercríticos, tais como o dióxido de carbono supercrítico (SCO2), em ciclos de geração de energia termodinâmicos fechados. Tal sistema 1 da técnica anterior é ilustrado na Figura 1.

[0003] Conforme mostrado na Figura 1, o sistema de geração de energia 1 da técnica anterior inclui compressores, turbinas, câmaras de combustão e trocadores de calor dispostos em um primeiro ciclo de Brayton 402, no qual o fluido de trabalho é um fluido supercrítico, e um segundo ciclo de Brayton 404, no qual o fluido de trabalho é ar ambiente. O sistema 1 inclui, portanto, uma trajetória de fluxo do ciclo de SCO2 406 e trajetória de fluxo de ciclo de aspiração de ar 423, as quais podem estar uma separada da outra.

[0004] Na Figura 1, o fluxo de SCO2 ao longo da trajetória de fluxo 406 é como se segue. Inicialmente, uma corrente A de fluido supercrítico é provida à entrada de um compressor 408. O fluido supercrítico entra na entrada do compressor 408 após de ter sido arrefecido e expandido a uma temperatura e pressão que estão próximas dos seus pontos críticos. O fluido supercrítico é completado por uma fonte de fluido supercrítico 431. Após a compressão no compressor 408, a corrente B de SCO2 é aquecida em um trocador de calor de ciclo cruzado 410, o qual está conectado a trajetória de fluxo 406 de SCO2 e a trajetória de fluxo de ar aspirado 423. A corrente C do SCO2 aquecido a partir do trocador de calor 410 é então direcionada para a entrada de uma turbina 412, onde o SCO2 é expandido e produz energia ao eixo que aciona ambos o compressor de SCO2 408 e um dispositivo de saída 416 através do eixo 417. O dispositivo de saída 416 pode ser um turbopropulsor, turboélice, caixa de velocidades ou gerador. Após a expansão na turbina 412, a corrente D de SCO2 é arrefecida em um segundo trocador de calor de ciclo cruzado 418, também conectado a trajetória de fluxo 406 de SCO2 e trajetória de fluxo de ar aspirado 423. A corrente A de SCO2 arrefecido é retornado para a entrada do compressor 408 através da trajetória de fluxo 406. No ciclo de Brayton o ar aspirado 404, inicialmente, o ar ambiente 411 é provido a um compressor 420. A corrente E de ar comprimido a partir do compressor 420 é, então, aquecida no trocador de calor 418 pela transferência de calor a partir do SCO2 após o SCO2 ter sido expandido na turbina 412. A corrente F de ar comprimido aquecido é então direcionada para uma câmara de combustão 424. A câmara de combustão 424 recebe uma corrente 427 de combustível, tal como combustível para motores a jato, combustível para motores a diesel, gás natural, ou biocombustível, sendo introduzida por um controlador de combustível 428 e queimado ao ar de modo a produzir gás de combustão quente. A corrente G do gás de combustão da câmara de combustão 424 é direcionada para o trocador de calor 410 onde o calor é transferido para o SCO2, conforme discutido acima. Após sair do trocador de calor 410, a corrente H do gás de combustão é expandida em uma turbina 426, a qual produz energia para acionar o compressor de ar 420, através do eixo 421. Após a expansão na turbina 426, o gás de combustão I é descarregado para a atmosfera.

[0005] Embora o sistema de geração de energia de ciclo de fluido ambiente supercrítico 1 mostrado na Figura 1 pode ser vantajoso, os trocadores de calor necessários para transferir calor entre o ciclo de fluido supercrítico e o ciclo ambiente podem ser grandes, caros e pouco práticos para a implementação. Ciclos de fluxo de gerenciamento mais eficazes podem melhorar a eficiência de transferência de calor em sistemas de geração de energia que utilizam ciclos de fluido supercrítico.

Sumário

[0006] Um aspecto da presente invenção é um método para a geração de energia em um sistema que inclui um ciclo de fluido supercrítico tendo um fluido supercrítico fluindo através do mesmo, um ciclo de aspiração de ar tendo ar fluindo através do mesmo que não se mistura com o fluxo do fluido supercrítico. O método inclui a etapa de direcionar ar ao longo do ciclo de aspiração de ar para fluir através de uma pluralidade de trocadores de calor. O método inclui a compressão do fluido supercrítico em um compressor de fluido supercrítico ao longo do ciclo de fluido supercrítico e a divisão do fluido supercrítico descarregado, a partir do compressor de fluido supercrítico, em primeira e segunda correntes de descarga de fluido supercrítico comprimido, de modo que a primeira corrente de descarga de fluido supercrítico comprimido flui através de um trocador de calor de recuperação. O método inclui a mistura do fluido supercrítico descarregado a partir do trocador de calor de recuperação com a segunda corrente de descarga do fluido supercrítico comprimido e o direcionamento de uma mistura de fluido supercrítico comprimido através de uma pluralidade de trocadores de calor dispostos e em uma entrada de uma turbina de fluido supercrítico, de modo que o calor a partir do ar ao longo do ciclo de aspiração de ar é transferido para a mistura de fluido supercrítico comprimido. O método inclui a divisão do fluido supercrítico descarregado, a partir da turbina de fluido supercrítico, dentro de uma primeira e segunda correntes de descarga de fluido supercrítico expandido, de tal modo que a primeira corrente de descarga do fluido supercrítico expandido flua através do trocador de calor de recuperação de modo a aquecer a primeira corrente de descarga do fluido supercrítico comprimido. Adicionalmente, o método inclui a mistura do fluido supercrítico expandido descarregado a partir do trocador de calor de recuperação com a segunda corrente de descarga de fluido supercrítico expandido. A mistura de fluido supercrítico expandido é direcionada em direção da entrada do compressor supercrítico, onde o calor a partir da mistura de fluido supercrítico expandido é transferido para o ar do ciclo de aspiração de ar, arrefecendo assim a mistura de fluido supercrítico expandido para aproximadamente o seu ponto crítico.

[0007] Outro aspecto da presente divulgação é um sistema configurado para gerar energia. O sistema inclui um ciclo de fluido supercrítico. O ciclo de fluido supercrítico inclui um compressor de fluido supercrítico configurado para receber e comprimir um fluido supercrítico, uma turbina de fluido supercrítico configurada para receber e expandir o fluido supercrítico, e um trocador de calor de recuperação configurado para receber correntes de descarga a partir do compressor de fluido supercrítico e da turbina de fluido supercrítico. O sistema também inclui um ciclo de aspiração de ar configurado para aquecer o ar fluindo ao longo do ciclo de aspiração de ar. O sistema inclui adicionalmente uma pluralidade de trocadores de calor dispostos de modo que o fluido supercrítico, a partir do ciclo de fluido supercrítico, e o ar, a partir do ciclo de aspiração de ar, passem através dos mesmos, mas não se misturam. O sistema é configurado para: 1) dividir o fluido supercrítico descarregado a partir do compressor de fluido supercrítico em primeira e segunda correntes de descarga de fluido supercrítico comprimido, de modo que a) a primeira corrente de descarga do fluido supercrítico comprimido flui através do trocador de calor de recuperação, e b) a segunda corrente de descarga do fluido supercrítico comprimido flui através de um conjunto da pluralidade de trocadores de calor; e 2) dividir o fluido supercrítico descarregado a partir da turbina de fluido supercrítico dentro de uma primeira e segunda correntes de descarga de fluido supercrítico expandido de tal modo que a) a primeira corrente de descarga do fluido supercrítico expandido flui através do trocador de calor de recuperação, e b) a segunda corrente de descarga de fluido supercrítico expandido flui através de um conjunto diferente da pluralidade de trocadores de calor. O calor a partir da primeira corrente de descarga do fluido supercrítico expandido é transferido para a primeira corrente de descarga do fluido supercrítico comprimido no trocador de calor de recuperação.

[0008] Outro aspecto da presente divulgação é um sistema configurado para gerar energia. O sistema inclui um ciclo de fluido supercrítico. O ciclo de fluido supercrítico inclui um compressor de fluido supercrítico configurado para receber e comprimir um fluido supercrítico, uma turbina de fluido supercrítico configurada para receber e expandir o fluido supercrítico, e um trocador de calor de recuperação configurado para receber correntes de descarga a partir do compressor do fluido supercrítico e da turbina de fluido supercrítico. O sistema também inclui um ciclo de aspiração de ar configurado para aquecer o ar fluindo ao longo do ciclo de aspiração de ar. O sistema também inclui uma pluralidade de trocadores de calor dispostos de modo que o fluido supercrítico, a partir do ciclo de fluido supercrítico, e o ar, a partir de um ciclo de aspiração de ar, passem através dos mesmos mas não se misturem, onde um primeiro trocador de calor da pluralidade de trocadores de calor está disposto de modo a alimentar em uma entrada da turbina de fluido supercrítico, e um segundo trocador de calor da pluralidade de trocadores de calor é disposto para alimentar em uma entrada do compressor de fluido supercrítico. O primeiro trocador de calor tem uma primeira taxa de capacidade térmica, e o segundo trocador de calor tem uma segunda taxa de capacidade térmica que é substancialmente diferente do que a primeira taxa de capacidade térmica. Adicionalmente, o sistema é configurado para: 1) dividir o fluido supercrítico descarregado, a partir do compressor de fluido supercrítico, em primeira e segunda correntes de descarga de fluido supercrítico comprimido, de modo que a) a primeira corrente de descarga do fluido supercrítico comprimido flui através do trocador de calor de recuperação, e b) a segunda corrente de descarga do fluido supercrítico comprimido flui através do primeiro trocador de calor da pluralidade de trocadores de calor; e 2) dividir o fluido supercrítico descarregado a partir da turbina de fluido supercrítico dentro de uma primeira e segunda correntes de descarga de fluido supercrítico expandido de tal modo que: a) a primeira corrente de descarga do fluido supercrítico expandido flua através do trocador de calor de recuperação, e b) a segunda corrente de descarga de fluido supercrítico expandido flua através do segundo trocador de calor da pluralidade de trocadores de calor.

Breve descrição dos desenhos

[0009] O sumário acima, bem como a descrição detalhada a seguir de um aspecto, são melhores compreendidos quando lidos em conjunto com os desenhos esquemáticos em anexo. Para a finalidade de ilustração da invenção, os desenhos mostram um aspecto que é agora preferido. A invenção não está limitada, no entanto, para os meios específicos descritos nos desenhos. Nos desenhos:

[0010] A Figura 1 é um diagrama esquemático de um sistema de geração de energia da técnica anterior incorporando um fluido supercrítico;

[0011] A Figura 2 é um diagrama esquemático de um sistema de geração de energia de acordo com um aspecto da descrição;

[0012] A Figura 3 é um diagrama esquemático de um sistema de geração de energia de acordo com outro aspecto da descrição;

[0013] A Figura 4 é um diagrama esquemático de um sistema de geração de energia de acordo com outro aspecto da descrição;

[0014] A Figura 5 é um gráfico ilustrando as proporções da taxa de capacidade do trocador de calor para o fluido supercrítico e ar, de acordo com o sistema de geração de energia da técnica anterior ilustrado na Figura 1;

[0015] A Figura 6 é um gráfico mostrando a temperatura delta entre o fluxo supercrítico e o fluxo de ar ao longo de um trocador de calor a partir da entrada-para-saída conforme uma função da localização de aleta, de acordo com o sistema da técnica anterior ilustrado na Figura 1;

[0016] A Figura 7 é um gráfico ilustrando a temperatura conforme uma função da posição de aleta em um primeiro trocador de calor de acordo com um aspecto da descrição; e

[0017] A Figura 8 é um gráfico ilustrando a temperatura conforme uma função da posição de aleta em um terceiro trocador de calor ao longo de um ciclo parcialmente recuperado de acordo com um aspecto da divulgação.

Descrição detalhada

[0018] A Figura 2 é um diagrama esquemático de um sistema de geração de energia 100 de acordo com um aspecto da divulgação. O sistema de geração de energia 100 inclui um primeiro ciclo de Brayton fechado 102, no qual o fluido de trabalho pode ser um fluido supercrítico, e um segundo ciclo de Brayton aberto 104, no qual o fluido de trabalho pode ser o ar ambiente. O primeiro ciclo de Brayton 102 e o segundo ciclo de Brayton 104 incluem, respectivamente, uma trajetória de fluxo de fluido supercrítico 106 e uma trajetória de fluxo de fluido de ar 108. As trajetórias de fluxo 106 e 108 estão, em um aspecto, separadas de modo que pouca ou nenhuma mistura ocorre entre o fluido supercrítico e o ar entre as duas trajetórias de fluxo de 106 e 108.

[0019] O sistema de geração de energia 100 inclui compressores, turbinas, uma ou mais câmaras de combustão, e uma pluralidade de trocadores de calor conectados ao longo das trajetórias de fluxo 106 e 108. Os trocadores de calor incluem uma pluralidade de trocadores de calor de ciclo cruzado 132, 134, 136, e 138. Conforme aqui utilizado, o termo “trocador de calor de ciclo cruzado” refere-se a um trocador de calor que recebe ar ou ambos ar e gás de combustão a partir do ciclo de aspiração de ar 104 bem como um fluido supercrítico a partir do ciclo de fluido supercrítico 102 e transfere calor entre os fluidos nos dois ciclos. Adicionalmente, o sistema de geração de energia 100 inclui um trocador de calor de recuperação 130 ao longo da trajetória de fluxo de fluido supercrítico 106. Conforme aqui utilizado, o termo “trocador de calor de recuperação” refere- se as transferências de calor entre o fluido supercrítico descarregado a partir da turbina de SCO2 e o fluido supercrítico descarregado a partir do compressor de SCO2 no ciclo de fluido supercrítico 102. O sistema de geração de energia 100 também pode incluir válvulas 122, medidores de fluxo 140, junções de mistura 124, e um ou mais controladores configurados para controlar o funcionamento do sistema 100.

[0020] Inicialmente, uma corrente 2 de fluido supercrítico é alimentada na entrada de um compressor 110, a qual pode ser um compressor axial, radial, alternativo ou de tipo semelhante. O compressor 110 pode ser referido como primeiro compressor de SCO2 110. O compressor 110 inclui um eixo 112 operacionalmente conectado a uma turbina 114. A turbina 114 pode ser referida como primeira turbina de SCO2 114. O medidor de fluxo 140 ao longo da corrente 2 mede uma taxa de fluxo do fluido supercrítico fornecido à entrada do compressor. O medidor de fluxo 140 facilita o controle do acúmulo de SCO2 total no ciclo de fluido supercrítico 102 bem como o comportamento do fluxo transitório. Em um aspecto, o fluido supercrítico entra na entrada do compressor de SCO2 110 após de ter sido arrefecido e expandido, conforme discutido abaixo, a uma temperatura e pressão que estão próximas dos seus pontos críticos. O termo “fluido supercrítico” refere-se a um fluido no qual não existem as fases líquida e gasosa separadas, e o termo “ponto crítico” de um fluido supercrítico refere-se as temperatura e pressão mais baixas nas quais a substância pode ser considerada em um estado supercrítico. Os termos “temperatura crítica” e “pressão crítica” referem-se à temperatura e pressão no ponto crítico. Para o dióxido de carbono, o ponto crítico é de aproximadamente 304,2°K e 7,35 MPa. Em um aspecto, o fluido supercrítico entrando no compressor 110 é arrefecido dentro de pelo menos ±2°K do seu ponto crítico. Em um aspecto adicional, o fluido supercrítico entrando no compressor 110 é arrefecido dentro de ±1°K do seu ponto crítico. Ainda em outro aspecto, o fluido supercrítico entrando no compressor 110 é arrefecido dentro de ±0,2°K do seu ponto crítico.

[0021] Após a compressão no compressor de SCO2 110, a corrente de descarga 4 do fluido supercrítico é dividida em primeira e segunda porções como primeira e segunda correntes de descarga 6 e 8. As correntes 6 e 8 podem ser aqui referidas como correntes de descarga 6 e 8 do compressor. A divisão permite que a primeira porção da corrente de descarga 4, a partir do compressor 110, a ser recuperada e a porção restante sejam aquecidas diretamente por uma série de trocadores de calor 134 e 132 pela ciclagem de fluido de ar através da trajetória de fluxo 108. Conforme ilustrado, a corrente de descarga 4 é dividida através da válvula 122a a qual pode estar em comunicação eletrônica com um controlador (não mostrado). O controlador opera ou aciona a válvula 122a para direcionar o fluxo através da trajetória de fluxo 106, conforme necessário. Em um aspecto, a válvula 122a é configurada para direcionar entre 55% a cerca de 75% do fluxo de descarga 4 para a primeira corrente de descarga 6. O equilíbrio do fluxo da corrente de descarga 4 é dirigido à segunda corrente de descarga 8. Em outro aspecto, a válvula 122a é configurada para direcionar cerca de 67% da corrente de descarga 4 para a primeira corrente de descarga 6.

[0022] A primeira corrente de descarga 6 do fluido supercrítico é direcionada para o trocador de calor de recuperação 130 onde o calor é transferido do SCO2 aquecido saindo da turbina 116 para a primeira corrente de descarga 6. A corrente 19 de SCO2 aquecido descarregado a partir do trocador de calor de recuperação 130 é direcionada para a junção 124a e misturada com a corrente 10 de SCO2 aquecido que sai do trocador de calor de ciclo cruzado 134.

[0023] A segunda corrente de descarga 8, do compressor de SCO2 110, é direcionada para o trocador de calor de ciclo cruzado 134. No trocador de calor de ciclo cruzado 134, o calor a partir do gás de combustão na trajetória de fluxo 108 é transferido para a segunda corrente de descarga 8 de SCO2. A corrente 10 descarregada a partir do trocador de calor 134 se mistura com a corrente 19 de SCO2 a partir do trocador de calor de recuperação 130 na junção 124a, conforme discutido acima. A junção 124a pode ser unida, isto é, ser conectada aos condutos ou pode incluir um aparelho de mistura.

[0024] O fluxo misturado 12 é fornecido ao trocador de calor de ciclo cruzado 132. No trocador de calor de ciclo cruzado 132, o calor é transferido a partir do gás de combustão na trajetória do fluxo 108 para a corrente misturada de SCO2. O trocador de calor de ciclo cruzado 132 descarrega a corrente 14 de SCO2 aquecido.

[0025] A corrente 14 de SCO2 aquecido a partir do trocador de calor 132 é direcionada para a entrada da primeira turbina de SCO2 114. A primeira turbina de SCO2 114 pode ser de fluxo axial, radial, misturado, ou turbina de tipo semelhante. A primeira turbina de SCO2 114 expande o SCO2 e produz movimento no eixo que aciona o compressor de SCO2 110, através do eixo 112. Após a expansão na primeira turbina de SCO2 114, a corrente 15 é recirculada (“cycled”) através de uma segunda turbina de SCO2 116 que produz movimento no eixo para um gerador 120, através do eixo 118. O gerador 120 pode prover a potência de saída para o sistema 100. Em um aspecto alternativo, o ciclo 102 pode incluir uma turbina 114 com o eixo 118 conectado à turbina 114 e ao gerador 120. Em tal aspecto, a corrente de descarga 16 poderia descarregar a partir da turbina 114 em uma válvula 122b.

[0026] A corrente de descarga 16, a partir da segunda turbina de SCO2 116, pode ser dividida em segunda e primeira porções como a corrente de descarga 18 e a corrente de descarga 22. A corrente de descarga 18 e a corrente de descarga 22 podem ser referidas como segunda e primeira correntes de descarga 18 e 22. Conforme ilustrado, a válvula 122b pode dividir a corrente de descarga 16 dentro da segunda e primeira correntes de descarga 18 e 22. O controlador opera ou aciona a válvula 122b. Em um aspecto, a válvula 122b é configurada para direcionar entre 70% a cerca de 90% da corrente de descarga 16 dentro da primeira corrente de descarga 22. O equilíbrio do fluxo da corrente de descarga 16 é dirigido para a segunda corrente de descarga 18. Em outro aspecto, a válvula 122b é configurada para direcionar cerca de 80% da corrente de descarga 16 dentro da primeira corrente de descarga 22. Independentemente de que forma a corrente de descarga 16 da turbina de SCO2 é dividida, a segunda corrente de descarga 18 é direcionada ao trocador de calor de ciclo cruzado 136 e arrefecida pelo fluxo de ar passando através do trocador de calor 136 ao longo da trajetória de fluxo 108.

[0027] A primeira corrente de descarga 22 é direcionada ao trocador de calor de recuperação 130, onde o calor a partir da corrente de descarga 22 é transferido para a primeira corrente descarregada 6 a partir do compressor de SCO2 110. Em outras palavras, o trocador de calor de recuperação 130 arrefece a corrente de descarga 22 de SCO2. A corrente de descarga 24 do SCO2 arrefecido a partir do trocador de calor de recuperação 130 é misturada com uma corrente de entrada 20 do trocador de calor 136 em uma junção 124b. A partir da junção 124b, a corrente misturada 26 é direcionada ao trocador de calor de ciclo cruzado 138 (que pode ser opcional). Por exemplo, a corrente misturada 26 pode ser diretamente direcionada ao compressor 110. Como observado acima, no trocador de calor de ciclo cruzado 138, o calor a partir da corrente misturada 26 de SCO2 é transferido para a trajetória de fluxo 108 do ciclo de ar 104. A corrente 28 do SCO2 arrefecido é direcionada através de um resfriador 126 (que pode ser opcional) e é retornada para a entrada do compressor de SCO2 110 como corrente 2. SCO2 adicional a partir de um abastecimento 109 pode ser introduzido na corrente 2 de SCO2 dirigido ao compressor de SCO2 110 para compensar qualquer vazamento de SCO2 do sistema. Em qualquer caso, a corrente de SCO2 2 é retornada para a entrada do compressor 110 e as etapas de compressão-aquecimento- expansão-arrefecimento são repetidas.

[0028] Continuando com a Figura 2, o ciclo de aspiração de ar 104, parte do sistema global 100, forma uma trajetória de fluxo aberto 108. Inicialmente, o ar ambiente 101 é fornecido a um compressor de ar aspirado 150 que pode ser um compressor axial, alternativo, radial, ou de tipo semelhante. O compressor 150 inclui um eixo 152 operacionalmente conectado a uma turbina 154. A corrente 30 de ar comprimido a partir do compressor 150 é então aquecida no trocador de calor 138 (que pode ser opcional) pela transferência de calor a partir da corrente misturada de SCO2 26 descarregada a partir da turbina 116 através dos trocadores de calor 130 e 136, conforme discutido acima. A corrente 32 de ar comprimido aquecido é então direcionada para o trocador de calor 136, onde o calor a partir da corrente 18 de SCO2 (da turbina de SCO2 116) é transferido para a corrente 32 de ar comprimido. A corrente de descarga 34 é direcionada para a câmara de combustão 158. A câmara de combustão 158 aumenta a temperatura da corrente de ar comprimido 34 acima da temperatura requerida na entrada da turbina da turbina 154. O compressor 150 pode operar através do eixo 152 acionado pela turbina 154. A câmara de combustão 158 pode receber uma corrente de combustível 103, tal como, combustíveis fósseis ou outro tipo de combustível. A câmara de combustão 158 pode operar por meio de um coletor solar ou reator nuclear para a produção de calor do sistema ou alguma outra fonte de calor, incluindo a combustão de resíduos, biomassa, ou combustíveis bi derivados. A corrente de descarga 36 do gás de combustão a partir da câmara de combustão 158 pode ser direcionada para a turbina 154, onde é expandida. A corrente 40 de gás de combustão quente expandido é direcionada ao trocador de calor 132, onde o calor é transferido a partir do gás de combustão quente para a corrente misturada 12 de SCO2 discutida acima. Após sair do trocador de calor 132, a corrente 41 de gás de combustão quente é direcionada para o trocador de calor 134, onde o calor é transferido a partir do gás de combustão quente para a corrente de descarga 8 de SCO2 do compressor de SCO2 110, conforme discutido acima. A corrente de descarga 107 do trocador de calor 134 pode ser descarregada na atmosfera.

[0029] Em funcionamento, o sistema de geração de energia 100 será descrito com referência aos resultados previstos. Por exemplo, a taxa de capacidade térmica pode ser determinada através da multiplicação da taxa de fluxo de massa vezes o calor específico Cp, ou mdot*Cp (“multiplying mass flow rate times the specific heat Cp”). Os trocadores de calor 136 e 134 têm taxas de capacidade térmica não compatíveis uma vez que operam no regime de temperaturas onde o fluido supercrítico, tal como SCO2, tem uma curva Cp de calor específico plana e mais linear. Ver por exemplo a Figura 4. Uma vez que as taxas de capacidade térmica nestes locais não são bem compatíveis, uma taxa de fluxo de massa de ar, no ciclo de aspiração de ar 104, pode ser menor em comparação com o sistema 1 da técnica anterior mostrado na Figura 1. Um aspecto da presente divulgação inclui o armazenamento de calor através da criação de uma grande diferença nas faixas de temperatura dos dois fluxos e não compatíveis com a taxa de capacidade térmica, que pode evitar o problema do ponto crítico de calor associado com o sistema da técnica anterior. Em um exemplo, o ciclo de fluido supercrítico 102 no sistema de geração de energia 100 pode ter uma taxa de fluxo de massa entre cerca de 30 e 35 kg/s. O ciclo de ar 104 no sistema de geração de energia 100 pode ter uma taxa de fluxo de massa entre cerca de 7,5 e cerca de 16,0 Kg/s. No entanto, as taxas de fluxo de massa aqui descritas não são consideradas como limitativas. Elas podem ser maiores ou menores que as faixas previstas. Adicionalmente, o sistema de geração de energia 100 é configurado para ter uma proporção de taxa de fluxo de massa de ar para a taxa de fluxo de massa de fluido supercrítico entre cerca de 0,25 e 0,50. Em um aspecto, a proporção das taxas de fluxo de massa é aproximadamente 0,30. Portanto, as taxas de fluxo de massa para o ar no ciclo de aspiração de ar 104 são geralmente mais baixas em comparação com os sistemas de geração de energia típicos. Em apenas um exemplo, as taxas de fluxo de massa de ar são cerca de 75% abaixo das taxas de fluxo de massa de ar de um sistema de geração de energia 1 da técnica anterior, tal como o aspecto mostrado na figura 1 e descrito acima. O fluxo de massa de ar reduzido pode resultar em uma redução substancial no tamanho do trocador de calor, área ocupada (“footprint”), custo, peso, os requisitos de energia parasitas e semelhantes.

[0030] Voltando à Figura 3, que é um diagrama esquemático de um sistema de geração de energia 200 de acordo com um outro aspecto da divulgação configurado para gerar energia e calor. O sistema de geração de energia 200 é semelhante ao aspecto mostrado na figura 2, e inclui um primeiro ou ciclo de fluido supercrítico 202 e um segundo ou ciclo de ar aspirado 204. Os primeiro e segundo ciclos 202 e 204 incluem uma trajetória de fluxo de fluido supercrítico 206 e uma trajetória de fluxo de fluido de ar 208, respectivamente, que estão em um aspecto separados um do outro de forma que o fluido supercrítico e o ar não se misturam. Adicionalmente, o sistema de geração de energia 200 inclui compressores, turbinas, uma ou mais câmaras de combustão, pelo menos um trocador de calor de recuperação 230, uma pluralidade de trocadores de calor de ciclo cruzado 232, 234, 236, e 238, bem como válvulas 222, medidores de fluxo, junções de mistura 224, e um ou mais controladores configurados para controlar a operação do sistema.

[0031] Inicialmente, uma corrente 42 de fluido supercrítico é fornecida à entrada de um compressor 210. O compressor 210, ocasionalmente referido como o primeiro compressor de SCO2 210, inclui um eixo 212 operacionalmente conectado à primeira turbina 214, também referida como a primeira turbina de SCO2 214. Um medidor de fluxo opcional (não mostrado) pode ser utilizado medindo a taxa de fluxo do fluido fornecido para a entrada do compressor. A corrente 42 de fluido supercrítico entra na entrada do compressor 110 após ter sido arrefecido e expandido a uma temperatura e pressão que estão próximas dos seus pontos críticos.

[0032] Após a compressão no compressor 210, a corrente 44 de fluido supercrítico é dividida em primeira e segunda porções como correntes 46 e 48. As correntes 46 e 48 podem ser referidas, respectivamente, como primeira e segunda correntes de descarga 46 e 48. Uma válvula 222a pode dividir a corrente 44 em primeira e segunda correntes de descarga 46 e 48. A primeira corrente de descarga 46 do fluido supercritico é fornecida ao trocador de calor de recuperação 230. No trocador de calor de recuperação 230, o calor é transferido a partir da descarga de SCO2 aquecido a partir de uma turbina 216 para a primeira corrente de descarga 46 a partir do compressor de SCO2 210. A corrente 50 de SCO2 aquecido descarregado a partir do trocador de calor 230 é direcionada para uma junção 224a e misturada com a corrente 74 de SCO2 aquecido a partir de um trocador de calor de ciclo cruzado 234.

[0033] A segunda corrente de descarga 48 é direcionada para uma válvula 222b, que direciona a corrente 70 através de um trocador de calor opcional 233 e dentro do trocador de calor de ciclo cruzado 234. O trocador 233 pode ser utilizado para capturar o calor residual dos sistemas da aviônica (“avionics”) e armas que são instalados em plataformas móveis como aeronaves, embarcações de superfície, etc.. O sistema 200 pode não incluir o trocador de calor 233 em cada aplicação ou implementação. No trocador de calor de ciclo cruzado 234, o calor é transferido do gás de combustão na trajetória do fluxo 208 para a corrente de descarga 70 de SCO2. A corrente 74 descarregada a partir do trocador de calor 234 se mistura com a corrente 50 em uma junção 224a. A junção 224a pode ser uma união ou pode incluir um aparelho de mistura. A corrente 51 é fornecida a outra junção 224b e combinada com a corrente de descarga 72 a partir de um arrefecedor 219. A válvula 222b pode também direcionar uma porção de uma segunda corrente de descarga 48 ao resfriador 219 disposto ao longo de um eixo 218. A corrente de descarga 72 a partir do resfriador 219 é encaminhada para a junção 224b combinada com a corrente 51 dentro da corrente misturada 52. A corrente misturada 52 é fornecida ao trocador de calor de ciclo cruzado 232. No trocador de calor de ciclo cruzado 232, o calor a partir do gás de combustão na trajetória do fluxo 108 é transferido para a corrente misturada 52. A corrente de descarga 54 de SCO2 aquecido a partir do trocador de calor de ciclo cruzado 232 é direcionada para a entrada da primeira turbina de SCO2 214.

[0034] A primeira turbina de SCO2 214 expande o SCO2 e produz potência no eixo que aciona o compressor de SCO2 210, através do eixo 212. Após a expansão na primeira turbina de SCO2 214, a corrente 56 é recirculada através de uma segunda turbina de SCO2 216 que produz potência no eixo para um gerador 220, através do eixo 218. O gerador 220 pode prover potência de saída para o sistema 200. Alternativamente, a corrente 56 pode contornar a turbina 216. Conforme ilustrado, uma válvula 222c divide a corrente 56 em uma corrente 57 direcionada para a turbina 216 e a corrente 58 direcionada para os trocadores de calor 130 e 236. A corrente 59 descarregada a partir da turbina 216 flui para uma junção 224c e é combinada com a corrente 58 para definir uma corrente de descarga 60.

[0035] A corrente de descarga 60 é direcionada a uma válvula 222d, que divide a corrente de descarga 60 a partir da turbina 216 em uma segunda corrente de descarga 62 e uma primeira corrente de descarga 66. A segunda corrente de descarga 62 é direcionada a um trocador de calor de ciclo cruzado 236 e aquecida pelo fluxo de ar ao longo de uma trajetória de fluxo 208 por meio do trocador de calor 236. A corrente de descarga 64 descarregada a partir do trocador de calor 236 é direcionada ao trocador de calor 238. A primeira corrente de descarga 66 de SCO2 é direcionada ao trocador de calor de recuperação 230, onde seu calor é transferido para a primeira corrente de descarga 4 do SCO2 a partir do compressor de SCO2 210. A corrente de descarga 68 do trocador de calor de recuperação 230 é misturada com uma corrente de descarga 64 do trocador de calor 236 em uma junção 224d, formando uma corrente misturada 69. A corrente misturada 69 de SCO2 é direcionada ao trocador de calor 238, onde o calor a partir do fluxo de SCO2 é transferido ao ar comprimido ao longo da trajetória de fluxo 208 do ciclo de ar 204. A corrente 28 de SCO2 arrefecido é direcionada através um resfriador 226 (que pode ser opcional) e é retornada para a entrada do compressor de SCO2 210 através da trajetória de fluxo 206. Uma entrada de água 225a pode fornecer água para um resfriador 226. A corrente de saída 225b do arrefecedor 226 é água aquecida, a qual pode ser utilizada como uma fonte de calor. SCO2 adicional a partir de um abastecimento 207 pode ser introduzido na corrente 42 de SCO2 direcionada ao compressor 210 para compensar qualquer vazamento de SCO2 do sistema. Em qualquer caso, a corrente de SCO2 202 é retornada para a entrada do compressor 210 e as etapas de compressão- aquecimento-expansão-arrefecimento são repetidas. Em um aspecto alternativo, ainda outro trocador de calor 239a é colocado ao longo da corrente 68. Uma entrada de água 239b pode fornecer água para o trocador 239a. A corrente de saída 239c do trocador de calor 239a é água aquecida, que pode ser utilizada como uma fonte de calor para aquecimento urbano. O aquecimento urbano geralmente requer temperaturas de água de 180°F ou superior, incluindo o trocador de calor 239a pode ajudar a garantir a temperatura da corrente de saída de cerca de 180°F ou superior, em oposição ao sistema 200 que inclui apenas o resfriador 226. Portanto, o sistema 200 pode incluir o resfriador 226 ou trocador de calor 239a. Em ainda outras alternativas, o sistema 200 pode incluir ambos o resfriador 239a e o trocador de calor 226.

[0036] Continuando com a Figura 3, o ciclo de ar aspirado 104, parte do sistema geral 200, forma a trajetória de fluxo aberta 208. Inicialmente, o ar ambiente 201 é fornecido a um ventilador de tiragem forçada 250 que pode ser um compressor axial, radial, alternativo ou de tipo semelhante. O ventilador de tiragem forçada 250 é acionado pelo eixo 252 movimentado por uma fonte de energia 254. A fonte de energia 254 pode ser um motor. A corrente 80 de ar comprimido a partir do ventilador de tiragem forçada 250 é então aquecida no trocador de calor 238 pela transferência de calor da corrente misturada 69 de SCO2 (descarregada a partir da turbina 216 e arrefecida no trocador de calor 230 e 236). A corrente de ar 82 de ar comprimido aquecido é então direcionada ao trocador de calor 236, onde o calor a partir da segunda corrente de descarga 62 de SCO2 aquecido é transferido para uma corrente de ar 82. A corrente de ar 84 é alimentada a uma câmara de combustão 258 na qual um combustível 203 (tal como um combustível fóssil, calor a partir do condutor solar, reator nuclear, ou semelhante é fornecido) é introduzido por um controlador de combustível e queimado no ar de modo a produzir gás de combustão quente. A corrente 86 de gás de combustão a partir da câmara de combustão 258 é direcionada para um trocador de calor 232, onde o calor é transferido a partir da corrente 86 de gás de combustão quente para a corrente misturada 52 de SCO2 discutida acima. A corrente 88 do gás de combustão quente direcionada ao trocador de calor 234, onde o calor é transferido a partir do gás de combustão quente à corrente 74 de SCO2 comprimido, conforme discutido acima. A corrente de descarga 90 do trocador de calor 234 pode ser direcionada para um ventilador de tiragem induzida 260, que pode ser um compressor. O ventilador de tiragem induzida 260 pode ser conectado a um eixo 262 que é movimentado por uma fonte de energia 264, tal como um motor. A corrente de gás pode ser descarregada a partir do ventilador de tiragem induzida 260 para a atmosfera. O propósito de ambos ventilador de tiragem forçada 250 e ventilador de corrente induzida 260 é para conduzir o fluxo através dos trocadores de calor e câmara de combustão e para superar a queda de pressão associada com eles. Deve ser apreciado que o ventilador de tiragem forçada 250 pode não ser necessário com base no tipo de combustível queimado na câmara de combustão. Por exemplo, um ventilador de tiragem forçada 250 é útil quando é desejável que a zona de combustão esteja a uma pressão sub-atmosférica no caso de queima de biomassa onde o combustível é introduzido através de uma porta aberta. Se, no entanto, a câmara de combustão pode ser pressurizada, tal como no caso da queima de combustíveis fósseis, o ventilador induzido 260 não é necessário.

[0037] Na operação, e conforme descrito acima, em relação ao sistema 100, os trocadores de calor 236 e 234 têm taxas de capacidade térmica não compatíveis, uma vez que ambos operam em regime de temperaturas onde o fluido supercrítico tem uma curva de taxa de capacidade calorífica plana e mais linear. Uma vez que as taxas de capacidade calorífica nestes locais não são bem compatíveis, uma taxa de fluxo de massa de ar no ciclo de aspiração de ar 204 pode ser menor em comparação com o sistema 1 da técnica anterior mostrado na Figura 1. Um aspecto da presente invenção inclui o armazenamento de calor através da criação de uma grande diferença nas faixas de temperatura dos dois fluxos e não compatível com a taxa de capacidade térmica, o que pode evitar o problema do ponto crítico de calor associado com o sistema da técnica anterior. Em um exemplo, o ciclo de fluido supercrítico 202 no sistema de geração de energia 200 pode ter uma taxa de fluxo de massa entre cerca de 30 e 35 kg/s. O ciclo de ar 204 no sistema de geração de energia 200 pode ter uma taxa de fluxo de massa entre cerca de 7,5 e cerca de 16,0 Kg/s. No entanto, as taxas de fluxo de massa aqui descritas não são consideradas limitativas. Elas podem ser maiores ou menores do que as faixas providas. Adicionalmente, o sistema de geração de energia 200 é configurado para ter uma proporção de taxa de fluxo de massa de ar para a taxa de fluxo de massa de fluido supercrítico de entre cerca de 0,25 e 0,50. Em um aspecto, a proporção das taxas de fluxo de massa é aproximadamente 0,30. Consequentemente, as taxas de fluxo de massa para o ar no ciclo de aspiração de ar 204 são geralmente mais baixas comparadas com os sistemas de geração de energia típicos. Em apenas um exemplo, as taxas de fluxo de massa de ar são cerca de 75% abaixo das taxas de fluxo de massa de ar em um sistema de geração de energia 1 da técnica anterior.

[0038] Com referência à Figura 4, que é um diagrama esquemático de um sistema de geração de energia 300 de acordo com um outro aspecto da divulgação. O sistema de geração de energia 400 é substancialmente semelhante ao sistema de geração de energia 100 mostrado na Figura 2 e descrito acima. A descrição a seguir irá utilizar os mesmos números de referência para identificar elementos que sejam comuns entre o sistema de geração de energia 100 e o sistema de geração de energia 300. Consequentemente, o sistema de geração de energia 300 é um ciclo de fluido supercrítico 402 e um ciclo de aspiração de ar 404. Adicionalmente, o sistema de geração de energia 300 inclui compressores, turbinas, uma ou mais câmaras de combustão, e uma pluralidade de trocadores de calor conectados ao longo das trajetórias de fluxo 306 e 308. Os trocadores de calor incluem uma pluralidade de trocadores de calor de ciclo cruzado 132, 134 e 136 ao longo da trajetória de fluxo 308, e um trocador de calor de recuperação 130 ao longo da trajetória de fluxo de fluido supercrítico 306. O sistema de geração de energia 300 também pode incluir válvulas 122, medidores de fluxo 140, junções de mistura 124, e um ou mais controladores configurados para a operação de controle do sistema 300. Como notado acima, o sistema de geração de energia 300 opera, substancialmente, semelhante ao sistema de geração de energia 100.

[0039] De acordo com o aspecto alternativo da divulgação, no entanto, o sistema de geração de energia 300 não inclui um trocador de calor final 138 que descarrega a corrente 28 em direção da entrada do compressor 110 (ver Figura 2). De acordo com o sistema de geração de energia 300, a válvula 122b divide a corrente de descarga 16, da segunda turbina de SCO2 116, em segunda corrente de descarga 318 e primeira corrente de descarga 322. Em um aspecto, o controlador opera ou aciona a válvula 122b para direcionar entre 70% a cerca de 90% da corrente de descarga 16 para dentro da primeira corrente de descarga 322. O equilíbrio do fluxo da corrente de descarga 16 é dirigido para a segunda corrente de descarga 318. Em outro aspecto, a válvula 122b é configurada para direcionar cerca de 80 % da corrente de descarga 16 dentro da primeira corrente de descarga 322. Independentemente da forma como a corrente de descarga da turbina de SCO2 16 é dividida, a segunda corrente de descarga 318 é direcionada ao trocador de calor de ciclo cruzado 136 e arrefecido pelo fluxo de ar passando através do trocador de calor 136 ao longo da trajetória de fluxo 408.

[0040] A primeira corrente de descarga 322 é direcionada ao trocador de calor de recuperação 130, onde o calor da corrente de descarga 322 é transferido para a primeira corrente descarregada 6 a partir do compressor de SCO2 110. A corrente de descarga 324 de SCO2 arrefecido a partir do trocador de calor de recuperação 130 é misturada com uma corrente de entrada 20 do trocador de calor 136 em uma junção 124b. A partir da junção 124b, a corrente misturada 328 é direcionada ao compressor 110. Conforme ilustrado, a corrente 328 de SCO2 arrefecido é direcionada através de um resfriador 126 (que pode ser opcional) e é retornada para a entrada do compressor de SCO2 110 como corrente 2. Em qualquer caso, a corrente 2 de SCO2 é retornada para a entrada do compressor 110 e as etapas de compressão-aquecimento-expansão- arrefecimento são repetidas.

[0041] Continuando com a Figura 4, o ciclo de ar aspirado 304, parte do sistema global 300, forma uma trajetória de fluxo aberta 408. Inicialmente, o ar ambiente 101 é fornecido a um compressor de ar aspirado 150. A corrente 30 de ar comprimido a partir do compressor 150 é direcionada ao trocador de calor 136 e é aquecida pela transferência de calor a partir da corrente 318 de SCO2 descarregado a partir da turbina 116. A corrente de descarga 34 é direcionada para a câmara de combustão 158. A corrente de descarga 36 do gás de combustão, a partir da câmara de combustão 158, pode ser direcionada para a turbina 154, onde é expandida. A corrente 40 de gás de combustão quente expandido é direcionada ao trocador de calor 132, onde o calor é transferido do gás de combustão quente para a corrente misturada 12 de SCO2 conforme discutido acima. Após sair do trocador de calor 132, a corrente 41 de gás de combustão quente é direcionada ao trocador de calor 134, onde o calor é transferido do gás de combustão quente para a corrente de descarga 8 de SCO2 a partir do compressor de SCO2 110. A corrente de descarga 107 do trocador de calor 134 pode ser descarregada na atmosfera.

[0042] O sistema de geração de energia 300 requer menos trocadores de calor de ciclo cruzado em comparação com outros aspectos da presente divulgação. Adicionalmente, deve ser apreciado que o sistema de geração de energia 200 pode ser implementado sem a necessidade de um trocador de calor 238. Em tal exemplo, a corrente 69 está diretamente direcionada ao arrefecedor opcional e, em seguida, a entrada de compressor 210. Adicionalmente, no ciclo de aspiração de ar 204, a corrente de descarga 80 é direcionada ao trocador de calor 236 e o ciclo continua conforme acima discutido.

[0043] Os sistemas de geração de energia 100, 200 e 300descritos acima tem várias vantagens sobre os sistemas de geração de energia supercríticos típicos e/ou outros sistemas com base em fluidos não-supercríticos. Tamanho de trocador de calor reduzido, eficiência térmica melhorada e assinatura térmica menor na exaustão são algumas melhorias notáveis. A estratégia de fluxo do trocador de calor alternativo, pelo qual o SCO2 descarregado flui a partir do compressor de SCO2 e da turbina de SCO2 seja dividido, suaviza um então chamado trocador de calor de “ponto de aperto” no sistema 1 da técnica anterior. Mais especificamente, o sistema 1 da técnica anterior tem uma incompatibilidade de capacidade térmica variável no trocador de calor 418 (Figura 1) no lado de baixa pressão. A incompatibilidade variável é baseada em uma incompatibilidade entre a taxa de capacidade térmica dos fluxos de ar e de SCO2 que estão trocando calor no trocador de calor 418. Por exemplo, conforme mostrado na Figura 4, o ar no trocador de calor 418 tem uma curva de taxa de capacidade térmica bastante linear em todas as suas temperaturas de funcionamento. O fluido supercrítico, no entanto, tem um pico na taxa de capacidade térmica na faixa da temperatura inferior onde opera a extremidade de descarga de SCO2 do trocador de calor 418. O efeito deste pico na taxa de capacidade térmica é ilustrado na Figura 6. A Figura 6 mostra a variação de temperatura (ΔT) entre as extremidades de entrada e de saída do trocador de calor 418 para ambos os fluxo de SCO2 e fluxo de ar como função das aletas em S (“S- fins”) da entrada de SCO2. As diferentes curvas são de trocadores de calor de diferentes tamanhos. Por exemplo, a curva “100-Sfin Hx” indicaria um trocador de calor maior em comparação com o trocador de calor associado com a curva “50- Sfin Hx”. Como observado acima, o pico da taxa de capacidade térmica do SCO2 à temperatura inferior na extremidade de descarga de SCO2 indica que o comprimento do trocador de calor deve ser aumentado a fim de criar a transferência de calor eficaz. Mas, conforme mostrado na Figura 6, um relativo ΔT baixo observado a partir da localização da 50-fins para cerca da localização de 100-fins em relação à extremidade de entrada de SCO2 do trocador de calor para a curva 100-Sfin HX. Isto sugere que a seção do trocador de calor que está fazendo a menor quantidade de transferência de calor é efetivamente alongada. O resultado é que o sistema 1 da técnica anterior requer trocadores de calor bem grandes com desempenho limitado ou baixo e, algumas vezes, alta perda de pressão, a qual pode ser prejudicial para o desempenho do sistema. Adicionalmente, grandes temperaturas de aproximação em cada extremidade do trocador de calor 418 ilustram que uma quantidade significativa de calor é deixada sem transferência.

[0044] Conforme descrito acima, os sistemas de geração de energia 100, 200, 300 dividem os fluxos de descarga de SCO2 a partir do compressor de SCO2 110, 210, e da turbina de SCO2 116, 216, entre: A) o trocador de calor de recuperação 130, 230, e B) trocadores de calor que alimentam as respectivas entradas da turbina de SCO2 e do compressor de SCO2. Esta divisão, em conjunto com o arranjo do ciclo de ar aspirado 104, 204, 304 resulta em corrente de fluxo de ar (ver corrente 40 nas Figuras 2 e 4 e corrente 86 na Figura 3) no lado de entrada das turbinas de SCO2 com uma temperatura acima da temperatura desejada da corrente de SCO2 na entrada da turbina de SCO2 114, 214. Adicionalmente, a divisão do fluxo de descarga de SCO2 da turbina e do fluxo de descarga do compressor de SC02 permite a incompatibilidade intencional da taxa de capacidade térmica no trocador de calor 138, 238 e trocador de calor 132, 232, como nas Figuras 2 e 3. Para o sistema de geração de energia 300 mostrado na Figura 4, esta incompatibilidade intencional da taxa de capacidade térmica seria entre o trocador de calor 136 e o trocador de calor 132. Este por sua vez, permite de certa forma, grandes temperaturas de aproximação na extremidade quente do trocador de calor 132, 232 e na extremidade fria do trocador de calor 138, 238 nas Figuras 2 e 3 e na extremidade fria do trocador de calor 136 na Figura 4. As grandes temperaturas de aproximação aliviam o problema de “ponto de aperto” para estes trocadores de calor especiais, conforme utilizadas nos sistemas da técnica anterior. Para os sistemas de geração de energia 100 e 200 mostrados nas Figuras 2 e 3, os trocadores de calor 134, 234 e 136, 236, no entanto, têm taxas de capacidade térmica bem compatíveis, uma vez que elas operam em uma faixa onde o SCO2 tem uma curva Cp mais linear. Em qualquer caso, as elevadas temperaturas de aproximação no trocador de calor 132, 232 e no trocador de calor 138, 238 aumentam a quantidade de calor trocado por unidade de área do trocador de calor, reduzindo ainda o tamanho do trocador de calor. E em pelo menos alguns casos permite a eliminação do trocador de calor 138, 238, como no sistema de geração de energia 300 mostrado na Figura 4.

[0045] O calor no sistema pode ser adicionado por meio da combustão de combustíveis fósseis, um coletor solar, um reator nuclear e/ou fonte de calor semelhante, aumentando assim a temperatura do fluxo de ar para um valor acima da alta temperatura exigida na entrada das turbinas de SCO2. Adicionalmente, uma vez que o gás de combustão aquecido passa a maior parte do seu calor para as correntes de SCO2 através dos trocadores de calor 134, 234 e 132, 232, resulta em temperaturas de gás de exaustão muito baixas e, portanto, reduções na assinatura térmica para aplicações onde isso é importante, por exemplo, tais como aplicações militares. E, em função do baixo fator de compressibilidade associado com fluidos supercríticos, a temperatura de descarga do compressor de SCO2 é relativamente baixa e, portanto, ideal para receber a energia calorífica a partir do gás de combustão aquecido no trocador de calor 134, 234 e do fluxo de descarga de SCO2 no trocador de calor de recuperação 130, 230. Estes atributos resultantes é a alta eficiência térmica do sistema.

[0046] Em aspectos alternativos, um sistema de geração de energia inclui mais do que um ciclo de fluido supercrítico. Em um exemplo, o sistema de geração de energia pode incluir primeiro e segundo ciclos de fluido supercrítico, sendo que um ou ambos dos primeiro e segundo ciclos de fluidos supercríticos dividem a descarga de SCO2 a partir da turbina de SCO2 e do compressor de SC02 entre A) um trocador de calor de recuperação como 130, 230, e B) respectivo trocador de calor em linha com entradas de uma turbina de SCO2 e um compressor de SCO2. Ainda em outros aspectos alternativos, um sistema de geração de energia inclui um ou mais ciclos de ar aspirado. Ainda em outros aspectos, o ciclo de aspiração de ar pode incluir um ou mais ciclos de reaquecimento. Ainda em outros aspectos, um sistema de geração de energia inclui um ciclo de vácuo com um ou mais ciclos de SCO2. Ainda em outros aspectos, um sistema de geração de energia inclui a injeção de vapor. Ainda em outros aspectos, um sistema de geração de energia inclui um ciclo de assentamento utilizando a corrente de descarga de baixa pressão dos trocadores de calor 130,230 como uma fonte de calor.

[0047] Adicionalmente, o sistema de geração de energia 100, 200, 300 inclui vários ciclos de SCO2 e de aspiração de ar, conforme descrito na publicação do pedido de patente US N° 2013/0180259 (a publicação 259) em combinação com a estratégia de fluxo alternativo conforme aqui descrito. A divulgação dos ciclos de SCO2 e da aspiração de ar na publicação 259, que não são inconsistentes com as estratégias de fluxo conforme descritas acima, são aqui incorporadas por referência na sua totalidade.

[0048] Em outro aspecto alternativo, o sistema de geração de energia 100, 200, conforme aqui descrito, inclui um arranjo de turbina de SCO2 que inclui um acoplamento de torque por corrente parasita, conforme divulgado na publicação 259. A divulgação do acoplamento de torque por corrente parasita na publicação 259 é aqui incorporada por referência neste pedido na sua totalidade.

[0049] Aplicações para os sistemas de geração de energia 100, 200, 300 incluem, mas não estão limitados, a motores de aeronaves (tais como motores turboélice, turbo-propulsor, ou turbinas), geradores de energia elétrica com base em terra, sistemas de propulsão naval, motores de transportação terrestre, etc.. Adicionalmente, outras aplicações podem incluir geração de energia e calor, tal como vapor e água quente. Os sistemas podem ser utilizados para qualquer outra aplicação onde é necessária potência no eixo.

[0050] A descrição acima é provida para fins de explicação e não é para ser interpretada como limitativa da invenção. Embora a invenção tenha sido descrita com referência a aspectos preferenciais ou métodos preferidos, é entendido que as palavras que foram aqui utilizadas são palavras de descrição e ilustração, ao contrário de palavras de limitação. Adicionalmente, embora a invenção tenha sido aqui descrita com referência à estrutura, métodos e aspectos, particulares, a invenção não se destina a ser limitada aos detalhes aqui descritos, conforme a invenção se estende a todas as estruturas, métodos e utilizações que estão dentro do escopo das reivindicações anexas. Os técnicos no assunto, tendo o benefício dos ensinamentos desta especificação, podem efetuar inúmeras modificações à invenção, tais como aqui descritas, e podem ser feitas alterações sem sair do escopo e do espírito da invenção tais como definidas pelas reivindicações anexas.

Claims

1. Método para gerar energia em um sistema que inclui um ciclo de fluido supercrítico, tendo um fluido supercrítico fluindo através do mesmo, um ciclo de ar aspirado tendo ar fluindo através do mesmo que não se mistura com o fluxo do fluido supercrítico, dito método caracterizado pelo fato de compreender:- direcionar ar ao longo do ciclo de ar aspirado para fluir através de uma pluralidade de trocadores de calor, sendo que a etapa de direcionar incluir a combustão do ar para formar um gás de combustão e fluir o gás de combustão através de pelo menos um da pluralidade de trocadores de calor;- comprimir o fluido supercrítico em um compressor de fluido supercrítico ao longo do ciclo de fluido supercrítico;- dividir o fluido supercrítico descarregado a partir do compressor de fluido supercrítico em primeira e segunda correntes de descarga de fluido supercrítico comprimido, de tal modo que a primeira corrente de descarga do fluido supercrítico comprimido flui através de um trocador de calor de recuperação;- misturar o fluido supercrítico descarregado a partir do trocador de calor de recuperação com a segunda corrente de descarga do fluido supercrítico comprimido;- direcionar uma mistura de fluido supercrítico comprimido através do pelo menos um da pluralidade de trocadores de calor e em uma entrada de uma turbina de fluido supercrítico, de modo que o calor a partir do gás de combustão é transferido para a mistura de fluido supercrítico comprimido;- dividir o fluido supercrítico descarregado a partir da turbina de fluido supercrítico em uma primeira e segunda correntes de descarga de fluido supercrítico expandido de tal modo que a primeira corrente de descarga de fluido supercrítico expandido flui através do trocador de calor de recuperação de modo a aquecer a primeira corrente de descarga do fluido supercrítico comprimido;- misturar o fluido supercrítico expandido descarregado a partir do trocador de calor de recuperação com a segunda corrente de descarga de fluido supercrítico expandido; e- direcionar uma mistura de fluido supercrítico expandido em direção da entrada do compressor supercrítico,sendo que o calor a partir da mistura de fluido supercrítico expandido é transferido para o ar do ciclo de ar aspirado, arrefecendo assim a mistura de fluido supercrítico expandido para aproximadamente o seu ponto crítico.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a terceira etapa de direcionamento incluir direcionar uma mistura de fluido supercrítico expandido através de um outro da pluralidade de trocadores de calor e para a entrada do compressor supercrítico.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de a pluralidade de trocadores de calor incluir um primeiro trocador de calor, um segundo trocador de calor, um terceiro trocador de calor e um quarto trocador de calor, sendo que o ar flui em uma direção a partir do primeiro trocador de calor ao segundo, terceiro e quarto trocadores de calor em sequência, sendo que o ar é queimado antes de fluir o ar através do terceiro trocador de calor.

4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de a segunda etapa de direcionamento incluir direcionar a mistura de fluido supercrítico comprimido através do terceiro trocador de calor disposto para alimentar em uma entrada da turbina de fluido supercrítico.

5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de antes da primeira mistura, direcionar a segunda corrente de descarga do fluido supercrítico comprimido através do quarto trocador de calor.

6. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de a terceira etapa de direcionamento incluir direcionar a mistura de fluido supercrítico expandido através do primeiro trocador de calor.

7. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de antes da segunda mistura, direcionar a segunda corrente de descarga do fluido supercrítico expandido através do segundo trocador de calor.

8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a pluralidade de trocadores de calor incluir um primeiro trocador de calor, um segundo trocador de calor e um terceiro trocador de calor, sendo que o ar flui em uma direção a partir do primeiro trocador de calor ao segundo e terceiro trocadores de calor em sequência, sendo que o ar é queimado antes de fluir o ar através do segundo trocador de calor.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de a segunda etapa de direcionamento incluir direcionar a mistura de fluido supercrítico comprimido através do segundo trocador de calor disposto para alimentar em uma entrada da turbina de fluido supercrítico.

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de antes da primeira mistura, direcionar a segunda corrente de descarga do fluido supercrítico comprimido através do terceiro trocador de calor.

11. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de a terceira etapa de direcionamento incluir direcionar a mistura de fluido supercrítico expandido através do primeiro trocador de calor.

12. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de antes da segunda mistura, direcionar a segunda corrente de descarga do fluido supercrítico expandido através do primeiro trocador de calor.

13. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o primeiro direcionamento incluir:- comprimir o fluxo de ar em um compressor do ciclo de ar; e - expandir o gás de combustão através de uma turbina do ciclo de ar.

14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de a pluralidade de trocadores de calor incluir um primeiro trocador de calor, um segundo trocador de calor e um terceiro trocador de calor, sendo que o ar flui em uma direção a partir do primeiro trocador de calor para o segundo e terceiro trocadores de calor em sequência, sendo que a expansão ocorre antes do gás de combustão fluir através do terceiro trocador.

15. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente descarregar o fluxo de gás de combustão.

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de o gás de combustão ser descarregado a partir de um dos trocadores de calor,

17. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de o fluxo de ar ser descarregado a partir da turbina do ciclo de ar.

18. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente arrefecer o fluido supercrítico através de um ou mais arrefecedores.

19. Sistema configurado para gerar energia, caracterizado pelo fato de compreender:- um ciclo de fluido supercrítico incluindo um compressor de fluido supercrítico configurado para receber e comprimir um fluido supercrítico, uma turbina de fluido supercrítico configurada para receber e expandir o fluido supercrítico, e um trocador de calor de recuperação configurado para receber correntes de descarga a partir do compressor do fluido supercrítico e da turbina de fluido supercrítico;- um ciclo de ar aspirado incluindo pelo menos um combustor configurado para aquecer o ar fluindo ao longo do ciclo de ar aspirado pela combustão do ar de modo a formar um gás de combustão; e- uma pluralidade de trocadores de calor dispostos de maneira que o fluido supercrítico, a partir do ciclo de fluido supercrítico e o ar a partir do ciclo de ar aspirado, passe através dos mesmos mas não se misture, sendo que o sistema é configurado para: 1) dividir o fluido supercrítico descarregado a partir do compressor de fluido supercrítico em primeira e segunda correntes de descarga de fluido supercrítico comprimido, de modo que a) a primeira corrente de descarga do fluido supercrítico comprimido flua através do trocador de calor de recuperação, e b) a segunda corrente de descarga de fluido supercrítico comprimido flua através de um conjunto da pluralidade de trocadores de calor; e2) dividir o fluido supercrítico descarregado a partir da turbina de fluido supercrítico em uma primeira e segunda correntes de descarga de fluido supercrítico expandido de tal modo que a) a primeira corrente de descarga do fluido supercrítico expandido flua através do trocador de calor de recuperação, e b) a segunda corrente de descarga de fluido supercrítico expandido flua através de um conjunto diferente da pluralidade de trocadores de calor, sendo que o calor a partir da primeira corrente de descarga de fluido supercrítico expandido é transferido para a primeira corrente de descarga do fluido supercrítico comprimido no trocador de calor de recuperação.

20. Sistema, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de a pluralidade de trocadores de calor incluir um primeiro trocador de calor, um segundo trocador de calor e um terceiro trocador de calor, sendo que o ar flui em uma direção a partir do primeiro trocador de calor ao segundo e terceiro trocadores de calor em sequência.

21. Sistema, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de ser configurado de modo que a segunda corrente de descarga de fluido supercrítico comprimido fluir através do terceiro trocador de calor, o qual por sua vez, direciona a corrente ao segundo trocador de calor disposto para alimentar em uma entrada da turbina de fluido supercrítico.

22. Sistema, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de ser configurado para A) misturar a descarga a partir do terceiro trocador de calor com a descarga do fluido supercrítico comprimido a partir do trocador de calor de recuperação, e B) direcionar a mistura de fluido supercrítico comprimido através do segundo trocador de calor na entrada da turbina de fluido supercrítico.

23. Sistema, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de ser configurado de modo que a segunda corrente de descarga de fluido supercrítico expandido fluir através do primeiro trocador de calor.

24. Sistema, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de ser configurado para A) misturar a descarga a partir do primeiro trocador de calor com a descarga do fluido supercrítico expandido a partir do trocador de calor de recuperação, e B) direcionar a mistura de fluido supercrítico expandido em direção da entrada do compressor de fluido supercrítico.

25. Sistema, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de a pluralidade de trocadores de calor incluir um primeiro trocador de calor, um segundo trocador de calor, um terceiro trocador de calor e um quarto trocador de calor, sendo que o ar flui em uma direção a partir do primeiro trocador de calor ao segundo, terceiro e quarto trocadores de calor em sequência.

26. Sistema, de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pelo fato de ser configurado de modo que a segunda corrente de descarga do fluido supercrítico comprimido flua através do quarto trocador de calor, o qual por sua vez, direciona a corrente do terceiro trocador de calor.

27. Sistema, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de ser configurado para A) misturar a descarga a partir do quarto trocador de calor com a descarga do fluido supercrítico comprimido a partir do trocador de calor de recuperação, e B) direcionar a mistura de fluido supercrítico comprimido através do terceiro trocador de calor para uma entrada da turbina de fluido supercrítico.

28. Sistema, de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de ser configurado de modo que a segunda corrente de descarga de fluido supercrítico expandido fluir através do segundo trocador de calor, o qual por sua vez, direciona a corrente ao primeiro trocador de calor.

29. Sistema, de acordo com a reivindicação 28, caracterizado pelo fato de ser configurado para A) misturar a descarga a partir do segundo trocador de calor com a descarga de fluido supercrítico expandido a partir do trocador de calor de recuperação, e B) direcionar a mistura de fluido supercrítico expandido através do primeiro trocador de calor e em direção a entrada do compressor de fluido supercrítico.

30. Sistema, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente:- uma primeira válvula configurada para dividir o fluido supercrítico descarregado a partir do compressor de fluido supercrítico em primeira e segunda correntes de descarga de fluido supercrítico comprimido; e- uma segunda válvula configurada para dividir o fluido supercrítico descarregado a partir da turbina de fluido supercrítico em primeira e segunda correntes de descarga de fluido supercrítico expandido.

31. Sistema, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmenteum resfriador que reduz a temperatura do fluido supercrítico antes da sua entrada no compressor de fluido supercrítico.

32. Sistema, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de o ciclo de ar aspirado incluir pelo menos um compressor do ciclo de ar e pelo menos uma turbina do ciclo de ar.

33. Sistema, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de o ciclo de ar aspirado incluir pelo menos um ventilador de tiragem induzida, e pelo menos um ventilador de tiragem forçada.

34. Sistema, de acordo com a reivindicação 33, caracterizado pelo fato de o ventilador de tiragem induzida incluir uma primeira fonte de energia e o ventilador de corrente forçada incluir uma segunda fonte de energia.