BR112016027111B1

BR112016027111B1 - Métodos para expansão de um fluxo de gás de um gás ou mistura de gás

Info

Publication number: BR112016027111B1
Application number: BR112016027111-4A
Authority: BR
Inventors: Kris Van Campfort; Kristof Pascal Hubin
Original assignee: Atlas Copco Airpower, Naamloze Vennootschap
Priority date: 2014-05-19
Filing date: 2015-05-11
Publication date: 2022-11-29
Also published as: MX2016015042A; EP3146165B1; AU2015263777B2; WO2015176145A1; CN106414915A; AU2015263777A1; BE1021896B1; EP3146165A1; US10253631B2; KR102008055B1; JP6500039B2; US20170096897A1; CN106414915B; BR112016027111A2; RU2016149626A; RU2669062C2; JP2017522482A; KR20170008282A; RU2016149626A3

Abstract

MÉTODO PARA EXPANDIR UM FLUXO DE GÁS E DISPOSITIVO AÍ APLICADO. Método para expandir um fluxo de gás (Q) entre uma entrada (A) para o fornecimento de fluxo de gás em certas condições de entrada de pressão de entrada (PA) e temperatura de entrada (TA) e uma saída (B) para a entrada de gás expandido em certas condições de saída desejadas da pressão de saída (PB) e temperatura de saída (TB), em que este método compreende, pelo menos, o passo de, pelo menos, parcialmente expandir o fluxo de gás entre a entrada (A) e a saída (B) através de uma válvula redutora de pressão (5) e, pelo menos, parcialmente expandi-lo através de uma unidade redutora de pressão (10) com um rotor (11) acionado pelo gás para converter a energia contida no gás em energia mecânica do eixo (12).

Description

[001] A presente invenção se relaciona com um método para expandir um fluxo de gás, mais especificamente um gás ou mistura de gás tal como vapor ou semelhante,

[002] Em um processo industrial, o vapor é muitas vezes usado como uma força motriz ou como um inibidor para todos os tipos de químicos ou outros processos.

[003] O vapor é geralmente gerado em uma caldeira cuja pressão e temperatura são geralmente fixas.

[004] O processo industrial requer geralmente vapor em uma pressão e temperatura mais baixas do que na entrada da caldeira, em que as condições de vapor desejadas podem também ser variáveis.

[005] Consequentemente, na maior parte das instalações de vapor uma válvula redutora de pressão é usada entre a caldeira e o processo industrial a jusante que permite que o vapor se expanda para a pressão desejada requerida para o processo industrial.

[006] Em geral, é usado vapor saturado, o qual, por definição, não contém qualquer água na forma líquida, uma vez que toda a água presente no vapor evaporou para gás.

[007] É conhecido que com o vapor saturado existe uma ligação indiscutível entre a pressão e temperatura do vapor. Por outras palavras, se a temperatura do vapor é conhecida, a pressão pode também ser determinada e vice-versa.

[008] A válvula redutora de pressão é deste modo aberta ou fechada mais ou menos para obter uma válvula redutora de pressão que é igual à pressão requerida pelo processo a jusante. Durante a expansão, a pressão e temperatura do vapor mudam de acordo com uma lei isentálpica conhecida em termodinâmica.

[009] Uma vantagem de tal controlo é que é muito s imples.

[0010] No entanto, uma desvantagem de tal controlo é que a queda da pressão não é usada para uma conversão eficiente para outra forma de energia como a energia mecânica ou elétrica, por exemplo.

[0011] Outra desvantagem é que apenas permite que a válvula redutora de pressão seja controlada, em que a expansão isentálpica na válvula redutora de pressão, começando com o vapor saturado, sempre fornece o vapor sobreaquecido a uma temperatura que é geralmente maior do que o desejado. O sobreaquecimento do vapor também significa uma permuta de calor ineficiente no processo a jusante e, consequentemente, deve ser limitado tanto quanto poss ível.

[0012] Para reduzir a temperatura do vapor e o nível de sobreaquecimento, tradicionalmente uma caldeira ou "dessuperaquecedor" é usada a qual apresenta a desvantagem de ser cara e é consequentemente limitada nas suas capacidades.

[0013] O objetivo da presente invenção é providenciar uma solução para, pelo menos, uma das desvantagens acima mencionadas e outras.

[0014] Para este fim, a invenção se relaciona com um método para expandir um fluxo de gás de um gás ou mistura de gás tal como vapor ou semelhante, entre uma entrada para o fornecimento do gás a ser expandido em determinadas condições de entrada da pressão de entrada e temperatura de entrada e uma saída para a entrega do gás expandido em determinadas condições de saída desejadas de pressão de saída e temperatura de saída, em que o método compreende, pelo menos, o passo de, pelo menos, expandir parcialmente o fluxo de gás entre a entrada e a saída através de uma válvula redutora de pressão e, pelo menos, expandi-lo parcialmente através de uma unidade redutora de pressão com um rotor acionado pelo gás com um eixo de saída para converter a energia contida no gás para a energia mecânica neste eixo.

[0015] Pela aplicação de tal unidade redutora de pressão, pelo menos uma proporção da energia de expansão pode ser eficazmente convertida em energia mecânica no eixo da unidade redutora de pressão, em que esta energia mecânica pode ser usada, por exemplo, para acionar um gerador de eletricidade ou outra aplicação útil.

[0016] Em contraste à expansão isentálpica do vapor na válvula redutora de pressão, uma expansão na unidade redutora de pressão do tipo pretendido avança de acordo com uma lei termodinâmica politrópica ou aproximadamente isentrópica, em que, comparado com uma expansão isentálpica, uma expansão politrópica traz uma maior queda de temperatura para a mesma queda de pressão.

[0017] Devido à expansão entre a entrada e saída do dispositivo sendo parcialmente isentrópica e parcialmente politrópica para todo o fluxo ou para certas partes do fluxo, e devido a uma distribuição adequada entre as expansões isentrópica e politrópica, respetivamente na válvula redutora de pressão e na unidade redutora de pressão, e/ou por uma distribuição adequada dos subfluxos, a pressão e a temperatura na saída podem ser ajustadas para os valores desejados pelo processo a jusante, e isto sem aplicação de refrigeração adicional ou um arrefecedor de vapor e com a vantagem adicional de ser capaz de extrair a energia mecânica da expansão politrópica.

[0018] De preferência, um expansor de parafuso é usado como uma unidade redutora de pressão que oferece a vantagem de que também permite que o vapor expanda para temperaturas abaixo da temperatura de saturação, em que o vapor vai parcialmente condensar em líquido e que deste modo permite uma área mais larga da aplicação do que com a maior parte das turbinas.

[0019] De acordo com uma variante preferida do método de acordo com a invenção, o fluxo de gás a ser expandido é acionado através da válvula redutora de pressão e através da unidade redutora de pressão em paralelo, com um subfluxo do fluxo de gás a ser expandido que flui através da válvula redutora de pressão e um subfluxo que flui através da unidade redutora de pressão, em que ambos os subfluxos são expandidos até à pressão de saída desejada, após o que ambos os subfluxos são combinados na mesma pressão de saída desejada para o fornecimento do gás expandido nas condições de saída desejadas na saída.

[0020] De acordo com outra variante preferida do método de acordo com a invenção, o fluxo de gás a ser expandido é acionado em duas etapas de expansão sucessivas em série através da válvula redutora de pressão e através da unidade redutora de pressão, em que a válvula redutora de pressão e a unidade redutora de pressão são controladas de tal forma que um ponto de operação intermédio com uma pressão e temperatura intermédias é obtido após a primeira fase de expansão que assegura uma expansão na segunda fase de expansão para uma pressão e temperatura correspondentes a uma pressão de saída e temperatura de saída.

[0021] A invenção também se relaciona com um dispositivo para expandir um fluxo de gás de um gás ou mistura de gás tal como um vapor ou semelhantes, em que este dispositivo compreende uma entrada para o fornecimento do gás a ser expandido em determinadas condições de entrada da pressão da entrada e temperatura da entrada, e uma saída para a entrega do gás expandido em determinadas condições de saída desejadas da pressão de saída e temperatura de saída, em que o dispositivo permite que o método de acordo com a invenção descrito acima seja aplicado e que para este fim é provido com uma válvula redutora de pressão e uma unidade redutora de pressão com um rotor acionado pelo gás com um eixo de saída, para converter a energia contida no gás em energia mecânica neste eixo e tubos para guiarem o fluxo de gás a ser expandido, pelo menos, parcialmente através da válvula redutora de pressão e, pelo menos, parcialmente através da unidade redutora de pressão.

[0022] As vantagens são as mesmas como aquelas descritas para o método aplicado de acordo com a invenção.

[0023] Com a intenção de melhor mostrar as características da presente invenção, algumas aplicações preferidas de um método de acordo com a invenção para expandir um fluxo de gás e um dispositivo aí aplicado, são descritas doravante através de um exemplo, sem qualquer natureza limitante, com referências aos desenhos em anexo, em que : a figura 1 mostra esquematicamente um dispositivo conhecido convencional para expandir um fluxo de gás, mais especificamente vapor; a figura 2 mostra um digrama de fase ou diagrama de vapor na forma de um diagrama de vapor temperatura/entropia, com o desenvolvimento do vapor durante a sua passagem no dispositivo indicado lá; a figura 3 mostra um dispositivo de acordo com a invenção para expandir vapor; a figura 4 mostra um diagrama de fase, tal como da figura 2 mas para o dispositivo da figura 3; a figura 5 representa uma variante de um dispositivo de acordo com a invenção; a figura 6 mostra um diagrama tal como da figura 4 para o dispositivo da figura 5; a figura 7 mostra o diagrama da figura 6 durante um controlo intermédio.

[0024] O dispositivo convencional 1 mostrado na figura 1 é provido com uma entrada A que liga a uma fonte 2 de vapor para o fornecimento de um fluxo de gás Q de vapor a ser expandido e uma saída B para a entrega do vapor expandido para um dispositivo de vapor a jusante 3 de consumidores de vapor ou processo industrial.

[0025] A fonte 2 é uma caldeira, por exemplo, que produz vapor saturado em determinadas condições de entrada, isto é, uma determinada pressão de entrada pA e temperatura de entrada TA na entrada A do dispositivo 1.

[0026] O ponto de operação do vapor na entrada A é mostrado no diagrama de fase como o ponto A localizado na curva de saturação 4 do diagrama de fase, em que esta curva de saturação 4 forma a separação entre a zona da fase gasosa G, por um lado, onde a temperatura e pressão do vapor são de tal modo que o vapor apenas ocorrer na fase gasosa da água, e a zona G + V onde a fase gasosa de água está em equilíbrio com a fase líquida da água.

[0027] A isobárica da pressão constante PA que atravessa o ponto de operação A é indicado no diagrama de fase como uma linha tracejada e apresenta todos os pontos de operação para os quais a pressão é igual à pressão de entrada PA.

[0028] Quando a energia é fornecida a partir de um ponto na isobárica PA para a esquerda da linha de saturação, então o ponto de operação se vai mover ao longo da secção horizontal da isobárica pA na direção da direita, a uma temperatura TA constante e as gotas de água presentes vão gradualmente evaporar até o ponto de operação A ser atingido, onde toda a água foi evaporada e apenas permanece o gás.

[0029] Com o fornecimento adicional de energia a uma pressão constante PA, o ponto de operação se vai mover adicionalmente para a direita ao longo da isobárica pA e a temperatura vai aumentar gradualmente. Nesta zona existe o caso de vapor sobreaquecido, correspondendo a uma fase gasosa sem líquido.

[0030] O dispositivo de vapor a jusante 3 determina as condições do vapor que o vapor fornecido deve cumprir, por outras palavras, as condições do vapor na saída B do dispositivo 1, em particular a pressão da saída PB, a temperatura de saída TB e composição do vapor.

[0031] Geralmente, o vapor sobreaquecido é desejado para o dispositivo de vapor a jusante 3. O ponto de operação correspondente é mostrado no diagrama de fase como um ponto B para a direita da linha de saturação 4 a uma pressão PB que é mais baixa do que a pressão PA, e uma temperatura TB que é mais baixa do que TA.

[0032] De modo a expandir o vapor da pressão PA na entrada A para a pressão mais baixa PB na saída B, é usada convencionalmente uma válvula redutora de pressão 5 que é incorporada em um tubo 6 que liga a entrada A à saída B para expandir um fluxo de vapor Q através da válvula redutora de pressão 5.

[0033] Para uma válvula redutora de pressão 5 convencional, esta expansão para a pressão de saída pB avança essencialmente de acordo com um desenvolvimento isentálpico ao longo da curva da expansão isentálpica 7, até ao ponto C no isobar PB.

[0034] A temperatura TC é geralmente muito maior do que a temperatura de saída desejada TB e, após ser usada a válvula redutora de pressão 5, um arrefecedor de vapor 8 ou similar para reduzir a temperatura de saída para a temperatura desejada TB em pressão constante PB. O ponto de operação se move ao longo da isobárica PB do ponto C para o ponto B.

[0035] No exemplo mostrado de um dispositivo convencional 1, a válvula redutora de pressão 5 é ajustável e provida com um controlador 9 para controlar a expansão através da válvula redutora de pressão 5 para um valor de pressão PB desejado definido no controlador 9, em que o controlador 9 mede de forma contínua a pressão na saída B e abre a válvula redutora de pressão 5 mais ou menos, uma vez que a pressão é maior ou menor do que a pressão PB definida até a pressão ser igual à pressão definida acima mencionada,

[0036] A figura 3 mostra um dispositivo 1 de acordo com a invenção, que difere do dispositivo convencional da figura 1, por exemplo no facto de que nenhum arrefecedor de vapor 8 tenha sido provido e que no tubo 6, em adição à válvula redutora de pressão 5, uma unidade redutora de pressão 10 é também incorporada em paralelo para que o fluxo de vapor Q seja dividido em um subfluxo QI que é orientado através da válvula redutora de pressão 5, e um subfluxo Q2 que flui através da unidade redutora de pressão 10, em que esses subfluxos Q1 e Q2 após a expansão, são combinados novamente para serem fornecidos juntamente através da saída B para o dispositivo de vapor a jusante.

[0037] A unidade redutora de pressão é preferencialmente construída como um parafuso expansor com dois rotores 11 encaixados, dos quais um rotor 11 é provido com um eixo de saída 12 para conversão da energia de expansão do vapor para a energia mecânica que disponível está no eixo 12.

[0038] Através de exemplo, o eixo de saída 12 é acoplado a um gerador de eletricidade 14 para a entrega de eletricidade a uma rede de consumidor ( não mostrado) .

[0039] A velocidade da unidade redutora de pressão 10 é preferencialmente ajustável de forma variável, para tal efeito o gerador 14 é provido com um controlador 13, por exemplo.

[0040] Outras formas de unidades redutoras de pressão com pelo menos um rotor acionado e eixo de saída não são excluídas, por exemplo um ou outro tipo de turbina.

[0041] O dispositivo 1 de acordo com a invenção é provido com meios 15 e 16, respetivamente, para medir ou determinar a temperatura e pressão na saída B.

[0042] Além disso, o dispositivo da figura 3 compreende um controlador 9 para controlar as expansões às quais o vapor é submetido na válvula redutora de pressão 5 e na unidade redutora de pressão 10 para obter vapor na saída B nos valores desejados, definidos ou ajustáveis da pressão PB de saída e temperatura TB de saída no controlador como uma função das condições de entrada PA e TA que são supostamente constantes aqui.

[0043] O controlador 9 está ligado através de ligações 17 aos meios 15 e 16 acima mencionados para determinar a pressão e temperatura na saída B e tem um algoritmo de controlo 18 para dividir o fluxo Q em dois subfluxos QI e Qz acima mencionados que ambos são submetidos a uma expansão em separado até à pressão de saída PB desejada.

[0044] A expansão do subfluxo Q2 no parafuso expansor tirado como exemplo, avança tipicamente de acordo com uma lei aproximadamente isentrópica ou politrópica, como ilustrado na figura 4 através da curva de expansão 19.

[0045] Deste modo, o fluxo muda do ponto de operação A na entrada A para o ponto de operação B" na saída B" da unidade redutora de pressão 10, em que este ponto de operação B" está localizado na i sobárica PB.

[0046] Pode ser derivado do diagrama de fase que a temperatura TB" da saída B" é mais baixa do que a temperatura TB desejada.

[0047] A expansão do subfluxo QI na válvula redutora de pressão 5 avança tipicamente de acordo com uma lei isentálpica que avança de uma forma análoga à figura 2 de acordo com uma curva de expansão 7 entre o ponto de operação A na entrada e um ponto de operação B' na saída da válvula redutora de pressão 5, localizada na isobárica PB.

[0048] A temperatura TB' na saída B' da válvula redutora de pressão 5 é por isso maior do que a temperatura TB definida desejada.

[0049] Após a expansão, ambos os subfluxo QI e Q2 são combinados com uma pressão pB, em que um fluxo Q combinado ocorre na saída B com uma pressão PB e uma temperatura que está entre as temperaturas TB’ e TB" e a qual depende dos rácios de mistura mútuos de ambos os subfluxos QI e Q2. O algoritmo de controlo 18 do controlador 9 é de tal forma que o rácio de mistura mútuo entre Q1 e Q2 pode ser controlado de tal modo que a temperatura do fluxo Q combinado corresponde à temperatura TB desejada.

[0050] Para este fim, o controlador 9 é ligado, por um lado, ao controlador 13 através de uma ligação 20 para ser capaz de ajustar a velocidade e por isso também o fluxo Q2 da unidade redutora de pressão 10 e, por outro lado, é ligado à válvula redutora de pressão 5 controlável através de uma ligação 21 para abrir ou fechar esta válvula redutora de pressão 5 mais ou menos para deixar passar mais ou menos fluxo QI.

[0051] O algoritmo de controlo 18 pode ser concebido como se segue, por exemplo.

[0052] Ao iniciar o dispositivo 1, o fluxo Q é distribuído de forma igual, por exemplo, em um fluxo QI através da válvula redutora de pressão 5 e um fluxo Q2 através da unidade redutora de pressão 10, em que QI=Q2=Q/2.

[0053] Na primeira instância, o fluxo Q combinado é controlado com base na pressão na saída B. Quando a pressão medida é mais baixa do que o valor definido da pressão PB de saída desejada isto significa que o fluxo Q é demasiado baixo e que os subfluxos QI e Q2 são aumentados para uma extensão igual até a pressão medida ser igual à pressão PB definida. Analogamente, quando a pressão medida é maior do que o valor definido PB, os subfluxos Q1 e Q2 são reduzidos para uma extensão igual até a pressão medida ser igual à pressão definida PB.

[0054] O vapor através da válvula redutora de pressão 5 segue a curva 7 até ao ponto B', enquanto o vapor através da unidade redutora de pressão 10 segue a curva 19 até ao ponto B’’. A combinação de ambos os fluxos leva a um ponto B’ ’ ’ que difere da temperatura exigida TB.

[0055] Se a temperatura B’’’ for mais baixa do que a temperatura TB, como é o caso da figura 4, demasiado vapor é expandido através da curva 19. Deste modo, o algoritmo 18 vai assegurar que o fluxo Q1 aumenta e o fluxo Q2 diminui na mesma extensão até ser atingida a temperatura TB desejada.

[0056] Como o fluxo Q combinado total não é afetado por este controlo inicial, com condições de entrada constantes, a pressão de saída será mantida a PB .

[0057] Se, por outro lado, a temperatura B’’’ for maior do que a temperatura TB desejada, então isto significa que demasiado vapor é expandido através da curva 7. É por isso que neste caso o algoritmo 18 vai assegurar que o fluxo Q1 diminui e o fluxo Q2 aumenta para na mesma extensão até que a temperatura TB seja atingida.

[0058] Se, por exemplo, os consumidores a jusante no dispositivo de vapor 3 requerem agora menos fluxo Q, então a pressão de saída PB vai diminuir se o dispositivo 1 ainda fornecer o fluxo Q. Então o controlador 18 vai alterar o fluxo Q, após detecção de uma alteração na pressão de saída, para que o rácio dos fluxos Q1/Q2 aplicáveis na altura seja mantido.

[0059] Assim que a pressão de saída PB correta é atingida, o algoritmo 18 vai então verificar se o rácio dos fluxos Q1/Q2 deve ser alterado para realizar a temperatura desejada TB na saída B.

[0060] Após uma alteração de outras condições, tais como a pressão da entrada ou temperatura da entrada, o algoritmo 18 vai também agir da mesma forma, isto é: em primeiro lugar, a pressão de saída PB exigida é realizada ao ajustar o fluxo Q total; de seguida, o rácio entre o fluxo QI e fluxo Q2 é ajustado para realizar a temperatura de saída TB exigida.

[0061] É obvio que podem existir ramificações e derivações adicionais no dispositivo que dividem adicionalmente o fluxo Q ou subfluxos QI e/ou Q2 para novamente serem em todo ou parcialmente combinados posteriormente em proporções determinadas pelo controlador para obter as condições de saída desej adas.

[0062] É claro que as condições na entrada A não necessitam de ser limitadas aos pontos na curva de saturação 4, mas na entrada pode também iniciar com vapor ligeiramente sobreaquecido com um ponto de operação à direita da curva 4 ou uma mistura de duas fases ligeira de vapor e gotículas de água com um ponto de operação à esquerda da curva 4, para no entanto, ainda ser capaz de fazer uso das vantagens da invenção.

[0063] A figura 5 mostra um dispositivo alternativo 1 de acordo com a invenção, no qual a válvula redutora de pressão 5 e a unidade redutora de pressão 10, no exemplo, um parafuso expansor acoplado a um gerador 14, neste caso não são incorporados em paralelo no tubo 6, tal como na forma de realização da figura 3, mas em série após um ao outro como duas fases de expansão entre a entrada A e a saída B, respetivamente, na válvula redutora de pressão 5 da pressão PA na entrada A para um válvula redutora de pressão PC intermédia no tubo 6 entre a válvula redutora de pressão 5 e a unidade redutora de pressão 10, e de seguida, na unidade redutora de pressão 10 da pressão pc intermédia para a pressão de saída PB.

[0064] Como mostrado na figura 6, a expansão isentálpica na válvula redutora de pressão 5 segue então a curva da expansão isentálpica 7 do ponto de operação A da entrada A para o ponto de operação C intermédio em uma pressão pc e temperatura Tc e a expansão adicional na unidade redutora de pressão 10 age de acordo com uma curva politrópica ou curva de expansão aproximadamente isentrópica 19 ao ponto de operação B para a saída B.

[0065] Um controlador adequado 9 torna possível controlar ambas as fases de expansão de tal modo que a pressão e temperatura na saída B é igual a um valor pB e TB definido no controlador 9.

[0066] O controlador 9 compreende uma computação e algoritmo de controlo 22 que determina o curso das curvas de expansão 7 e 19 como uma função das condições de entrada conhecidas PA e/ou TA e como uma função das condições de saída PB e/ou TB desejadas, e de seguida determina o ponto de operação C como a secção de ambas as curvas de expansão 7 e 19. Este ponto de operação C corresponde ao ponto de operação intermédio que é desejado ser atingido entre ambas as fases de expansão para atingir a pressão PB e temperatura TB desejadas na saída para as dadas condições PA e TB de saída.

[0067] O algoritmo de controlo 22 providencia o seguinte controlo, por exemplo.

[0068] Durante um primeiro passo de controlo, o fluxo Q é ajustado até a pressão desejada PB ser atingida na saída B.

[0069] Para este fim, quando o dispositivo 1 for iniciado, a unidade redutora de pressão 10 é controlada a uma velocidade mínima ao ajustar a carga do gerador 14 através do controlador 13 e a válvula redutora de pressão 5 é, por isso, sistematicamente aberta.

[0070] Quando a abertura age lentamente no início, vai ocorrer uma grande queda de pressão em toda a válvula redutora de pressão 5, de tal modo que a pressão intermédia no ponto de operação C' intermédio será muito mais baixo do que a pressão PC interina. O fluxo Q vai geralmente ser expandido através da curva de expansão 7 e para uma extensão inferior através da curva de expansão 19.

[0071] O algoritmo de controlo 22 vai gradualmente ainda abrir a válvula de expansão 5 à velocidade constante da unidade redutora de pressão 10 até a pressão de saída PB exigida ser atingida como mostrado na figura 7.

[0072] O ponto de operação B' é caracterizado pelo facto de que a temperatura de saída ser maior do que a temperatura de saída TB desejada.

[0073] Durante um segundo passo de controlo, a pressão interina da pressão de operação intermédia C é ajustada enquanto preserva a velocidade do fluxo, e isto da seguinte forma, por exemplo.

[0074] Quando a pressão interina é mais baixa do que a pressão interina po, então o algoritmo vai aumentar a velocidade da unidade redutora de pressão 10 até ser atingida a pressão interina po desejada.

[0075] No entanto, quando a pressão interina é mais alta do que a pressão interina po, o algoritmo vai fechar a válvula redutora de pressão 5 mais até ser atingida a pressão interina po desej ada.

[0076] Se os consumidores a jusante agora exigem menos fluxo Q por exemplo, a pressão de saída na saída B vai aumentar se o dispositivo ainda fornecer um fluxo Q. É por isso que o controlador 9, quando detecta uma alteração na pressão de saída na saída B, vai alterar o fluxo Q de tal modo que a pressão interina po está preservada. Isto pode ser feito no caso de um fluxo mais baixo exigido ao fechar simultaneamente a válvula redutora de pressão 5 e reduzindo a velocidade da unidade redutora de pressão 10 de acordo com um determinado rácio.

[0077] Assim que a pressão de saída PB desejada for atingida, o algoritmo vai então verificar se o estado da válvula redutora de pressão 5 e/ou a velocidade da unidade redutora de pressão 10 deve ser alterada para realizar a pressão interina po desejada.

[0078] Não é excluído que o algoritmo compreende um passo que melhora a pressão interina pc calculada com base na diferença entre a temperatura de saída e a temperatura de saída desejada TB para o caso quando uma imprecisão no algoritmo ou desgaste da máquina ocorre.

[0079] Após uma alteração de outras condições, tais como a pressão da entrada ou temperatura da entrada, o algoritmo 18 vai também agir da mesma forma, isto é: - em primeiro lugar, a pressão de saída pB é realizada ao ajustar o fluxo Q total; - de seguida, o rácio entre a abertura da válvula redutora de pressão 5 e a velocidade da unidade redutora de pressão 10 é ajustado para realizar a pressão interina pC.

[0080] É claro que a ordem da válvula redutora de pressão 5 quando a unidade redutora de pressão 10 em série pode também ser substituída e que mais de duas fases podem também ser providas.

[0081] Dependendo da complexidade do processo industrial não é excluído que uma combinação de uma ou mais ligações paralelas tais como da figura 3 e/ou de uma ou mais ligações em série tais como da figura 5 seja aplicada com um controlador adequado para este propósito, claro.

[0082] Apesar de ser usado um parafuso expansor em cada um dos exemplos acima descritos, não é excluído usar outros tipos de expansores. Uma vantagem de um parafuso expansor é ser menos sensível à formação de gotículas de água durante a expansão, de tal modo que no caso da figura 4 na qual o ponto de operação B" ou o ponto de operação intermédio C está localizado na zona onde o gás e liquido estão em equilíbrio.

[0083] Em vez de vapor, podem ser usadas outras misturas de gás.

[0084] A presente invenção não é limitada de modo algum às variantes de um método e dispositivo para expandir um fluxo de gás descrito como um exemplo e mostrado nos desenhos, mas um método e dispositivo de acordo com a invenção podem ser concebidos em todos os tipos de variantes, sem sair do âmbito da invenção.

Claims

1. Método para expansão de um fluxo de gás (Q) de um gás ou mistura de gás, tal como vapor ou semelhante, entre uma entrada (A) para o fornecimento do gás a ser expandido em determinadas condições de entrada da pressão de entrada (PA) e temperatura de entrada (TA) e uma saída (B) para a entrega de gás expandido em certas condições de saída desejadas de pressão de saída (PB) e temperatura de saída (TB), em que o método, pelo menos, compreende o passo de, pelo menos, expandir parcialmente o fluxo de gás entre a entrada (A) e a saída (B) através de uma válvula redutora de pressão (5) e, pelo menos parcialmente, expandi-lo através de uma unidade redutora de pressão (10) com um rotor (11) acionado pelo gás com um eixo de saída (12) para converter a energia contida no gás em energia mecânica neste eixo (12) caraterizado pelo fato de que o fluxo de gás a ser expandido é levado através de uma válvula redutora de pressão (5) e através de uma unidade redutora de pressão (10) em paralelo, com um subfluxo (QI) do fluxo de gás (Q) a ser expandido que flui através da válvula redutora de pressão (5) e um subfluxo (Q2) que flui através da unidade redutora de pressão (10) , onde ambos os subfluxos (QI e Q2) são expandidos para uma pressão de saída desejada (PB) , após o que ambos os subfluxos (QI e Q2) são combinados na mesma pressão de saída desejada (PB) para o fornecimento do fluxo de gás expandido nas condições de saída desejadas de pressão de saída (PB) e temperatura de saída (TB) na saída (B), e em que quando um controlador é iniciado a um ponto de operação desejado (PB e TB) na saída (B) , o fluxo de gás (Q) a ser expandido é dividido nos subfluxos acima mencionados (Qi e Q2) de acordo com um rácio fixo, e é opcionalmente dividido em dois subfluxos iguais (Qi e Q2) .

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caraterizado pelo fato de que o método não usa refrigerante entre a entrada (A) e a saída (B) para arrefecer o fluxo de gás expandido ou fluxo de gás a ser expandido.

3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caraterizado pelo fato de que o gás fornecido para a entrada (A) é essencialmente vapor saturado ou um vapor ligeiramente sobreaquecido ou uma mistura ligeira de duas fases de vapor e líquido.

4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caraterizado pelo fato de que a expansão é deixada acontecer nas condições de saída (PB e TB) do gás expandido a ser fornecido que corresponde às condições de um vapor essencialmente saturado ou um vapor ligeiramente sobreaquecido.

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caraterizado pelo fato de que a unidade redutora de pressão (10) é um parafuso expansor.

6. Método de acordo com a reivindicação 5, caraterizado pelo fato de que a expansão é deixada acontecer nas condições de saída (PB e TB) do gás expandido a ser fornecido que corresponde às condições de um vapor que está em equilíbrio com uma pequena quantidade de gotículas.

7. Método de acordo com a reivindicação 1, caraterizado pelo fato de que o fluxo de gás (Q) a ser expandido é dividido de tal modo em um subfluxo (Q1) que flui através da válvula redutora de pressão (5) e um subfluxo (Q2) que flui através da unidade redutora de pressão (10) que, após a combinação dos subfluxos (QI e Q2) , cada um com uma pressão igual à pressão de saída desejada (PB) , mas com uma temperatura de saída que é diferente da temperatura de saída desejada (TB) , uma temperatura combinada é obtida que é igual à temperatura de saída desejada (TB) .

8. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 7, caraterizado pelo fato de que para dividir o fluxo de gás (Q) a ser expandido a válvula redutora de pressão (5) e/ou a velocidade da unidade redutora de pressão (10) é ou são ajustados para permitir mais ou menos gás.

9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caraterizado pelo fato de que para o controle, o fluxo combinado total (Q) é em primeiro lugar ajustado para aumentar ou diminuir ambos os subfluxos (QI e Q2) de acordo com o rácio fixo de acordo com a reivindicação 1 até que a pressão na saída (B) seja igual à pressão de saída desejada (PB).

10. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que: - quando a pressão na saída (B) é mais baixa do que a pressão desejada (PB) , os subfluxos (QI e Q2) são aumentados até que a pressão na saída (B) seja igual à pressão de saída desejada (PB) ; ou que - quando a pressão na saída (B) é mais alta do que a pressão desejada (PB) , os subfluxos (QI e Q2) diminuem até que a pressão na saída (B) seja igual à pressão de saída desejada (PB) .

11. Método de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caraterizado pelo fato de que o rácio dos subfluxos (QI e Q2) é depois ajustado enquanto preserva o fluxo total (Q) obtido para obter a temperatura de saída desejada (TB).

12. Método de acordo com a reivindicação 11, caraterizado pelo fato de que o rácio dos subfluxos (QI e Q2) é ajustado: - quando a temperatura na saída (B) é mais baixa do que a temperatura de saída desejada (TB) , ao aumentar o subfluxo (Q1) que é permitido através da válvula de pressão (5) e diminuindo o subfluxo (Q2) que é permitido através da unidade redutora de pressão (10) para a mesma extensão, até que a temperatura na saída (B) seja igual à temperatura de saída desejada (TB); ou que - quando a temperatura na saída (B) é superior à temperatura de saída desejada (TB), ao diminuir o subfluxo (Q1) que é permitido através da válvula redutora de pressão (5) e aumentando o subfluxo (Q2) que é permitido através da unidade redutora de pressão (10) para a mesma extensão, até que a temperatura na saída (B) seja igual à temperatura de saída desejada (TB) .

13. Método para expansão de um fluxo de gás (Q) de um gás ou mistura de gás, tal como um vapor ou similar, entre uma entrada (A) para o fornecimento de gás a ser expandido em certas condições de entrada da pressão de entrada (A) e temperatura de entrada (TA) e uma saída (B) para a entrega do gás expandido em certas condições de saída desejadas da pressão de saída (PB) e temperatura de saída (TB), onde o método pelo menos compreende o passo de, pelo menos, parcialmente expandir o fluxo de gás entre a entrada (A) e a saída (B) através de uma válvula redutora de pressão (5) e, pelo menos, parcialmente expandi-lo através de uma unidade redutora de pressão (10) com um rotor (11) acionado por um gás com um eixo de saída (12) para converter a energia contida no gás em energia mecânica neste eixo (12), caraterizado pelo fato de que o fluxo de gás (Q) a ser expandido é colocado em dois estágios de expansão sucessivos em série através da válvula redutora de pressão (5) e através da unidade redutora de pressão (10) , onde a válvula redutora de pressão (5) e a unidade redutora de pressão (10) são controladas de modo que, após o primeiro estágio de expansão, é obtido um ponto de operação intermédio (C) com uma pressão intermédia (PC) e temperatura intermédia (TC) que garante uma expansão no segundo estágio de expansão para uma pressão e temperatura correspondentes à pressão de saída desejada (PB) e temperatura de saída (TB), e em que a pressão intermédia (pc) e temperatura intermédia (Tc) são determinadas com base em um algoritmo de computação (22) em que a curva de expansão (7) da primeira fase de expansão é determinada com base nas condições da entrada (PA e TA) e a curva de expansão (19) da segunda fase de expansão é determinada com base na pressão de saída desejada (PB) e temperatura de saída (TB) , em que um ponto de operação intermédio desejado (C) é determinado como uma secção entre ambas as curvas de expansão (7 e 19) .

14. Método de acordo com a reivindicação 13, caraterizado pelo fato de que a pressão de saída (PB) na saída é em primeiro lugar realizada ao controlar o fluxo total Q e, em seguida, a pressão intermédia calculada desejada no ponto de operação intermédio (C) é realizado ao ajustar o rácio entre a abertura da válvula redutora de pressão (5) e a velocidade da unidade redutora de pressão (10) .

15. Método de acordo com a reivindicação 14, caraterizado pelo fato de que ao iniciar o dispositivo (1) a unidade redutora de pressão (10) é controlada em uma velocidade mínima e a válvula redutora de pressão (5) é assim sistematicamente aberta até que a pressão de saída desejada (PB) seja atingida.

16. Método de acordo com a reivindicação 15, caraterizado pelo fato de que a pressão interina da pressão de operação intermédia (C) é controlada: - quando a pressão interina é mais baixa do que a pressão interina desejada (PC) , ao aumentar a velocidade da unidade redutora de pressão (10) até que a pressão interina desejada (pc) seja atingida, ou - quando a pressão interina é mais alta do que a pressão interina desejada (pc) ao fechar a válvula redutora de pressão (5) mais, até que seja atingida a pressão interina desejada (pc) .

17. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 16, caraterizado pelo fato de que a primeira fase de expansão é a válvula redutora de pressão (5) , seguida pela unidade redutora de pressão (10) como a segunda fase de expansão.