BR112017003614B1

BR112017003614B1 - Trocador de calor configurado para um sistema de geração de energia

Info

Publication number: BR112017003614B1
Application number: BR112017003614-2A
Authority: BR
Inventors: David S. Stapp
Original assignee: Peregrine Turbine Technologies, Llc
Priority date: 2014-08-22
Filing date: 2015-08-21
Publication date: 2021-08-17
Also published as: US20160084584A1; US10101092B2; EP3614092A1; EP3183433B1; US20160053638A1; EP3183527A1; WO2016029184A9; KR20170057283A; WO2016029184A1; US11073339B2; CN106715840B; WO2016029174A9; JP2017526855A; US10254048B2; JP2020024084A; WO2016029174A1; KR20170054411A; US20190128615A1; KR102451534B1; EP3183433A1

Abstract

trocador de calor configurado para um sistema de geração de energia. a presente divulgação refere-se ao trocador de calor para um sistema de geração de energia e métodos relacionados que utilizam fluidos supercríticos e, em particular, a um trocador de calor configurado para minimizar as forças axiais durante a operação.

Description

Campo técnico

[0001] A presente invenção refere-se a um trocador de calor para um sistema de geração de energia e métodos relacionados que utilizam fluidos supercríticos.

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.

[0003] Ciclos de geração de energia termodinâmica típicos, que utiliza fluidos supercríticos, incluem compressores, turbinas, câmara de combustão e trocadores de calor dispostos em um primeiro ciclo de Brayton, no qual o fluido de trabalho é um fluido supercrítico, e um segundo ciclo de Brayton, no qual o fluido de trabalho é ar ambiente. Os trocadores de calor necessários para a transferência de calor entre o ciclo de fluido supercrítico e o ciclo ambiente podem ser grandes, caros e pouco práticos para implementar. O gerenciamento de forma mais eficaz dos ciclos de fluxo pode melhorar a eficiência de transferência de calor em sistemas de geração de energia que utilizam ciclos de fluido supercrítico.

Sumário

[0004] Uma concretização da presente divulgação é um trocador de calor configurado para um sistema de geração de energia. O trocador de calor inclui pelo menos um arranjo de placa tendo uma primeira extremidade, uma segunda extremidade oposta à primeira extremidade ao longo de uma direção axial. Cada arranjo de placa inclui uma pluralidade de placas empilhadas uma em relação à outra. Pelo menos um arranjo de placa define uma primeira configuração de fluxo e uma segunda configuração de fluxo que é separada da primeira configuração de fluxo. As primeira e segunda configurações de fluxo estendem-se da primeira extremidade até à segunda extremidade de modo a direcionar os primeiro e segundo fluidos, respectivamente, através de pelo menos um arranjo de placa. O trocador de calor inclui um arranjo de carcaça que aplica uma força de tensão para pelo menos um arranjo de placa ao longo da direção axial, de tal modo que, quande pelo menos um arranjo de placa é exposto a pelo menos a temperatura predeterminada, cada placa se expande, pelo menos parcialmente, ao longo da direção axial, de modo a reduzir a força de tensão aplicada ao arranjo de placa.

Breve descrição dos desenhos

[0005] O sumário acima, bem como a descrição detalhada a seguir de uma concretização, são melhores compreendidas quando lidos em conjunto com os desenhos esquemáticos anexos. Para a finalidade de ilustrar a invenção, os desenhos mostram uma concretização que é presentemente preferida. A invenção não se limita, no entanto, aos instrumentos específicos divulgados nos desenhos. Nos desenhos:

[0006] A Figura 1 é uma vista em perspectiva de um trocador de calor de acordo com uma concretização da presente divulgação;

[0007] As Figuras 2A e 2B são vistas em perspectiva do trocador de calor mostrado na Figura 1, com coletores e porções do arranjo de carcaça removido para fins ilustrativos;

[0008] A Figura 3A é uma vista em perspectiva de um bloco externo utilizado no trocador de calor mostrado na Figura 1;

[0009] A Figura 3B é uma vista em perspectiva de um bloco intermediário utilizado no trocador de calor mostrado na Figura 1;

[0010] A Figura 4 é uma vista em perspectiva do coletor utilizado no trocador de calor mostrado na Figura 1;

[0011] A Figura 5A é uma vista em perspectiva de um arranjo de placa utilizado no trocador de calor mostrado na Figura 1;

[0012] A Figura 5B é uma vista em perspectiva detalhada de uma parte do arranjo de placa mostrada na Figura 5A;

[0013] A Figura 5C é uma vista em perspectiva explodida da primeira, segunda e terceira placas do arranjo de placa mostrado na Figura 5A;

[0014] A Figura 6 é uma vista em perspectiva de um trocador de calor de acordo com outra concretização da presente divulgação;

[0015] A Figura 7 é uma vista plana de uma placa utilizada no trocador de calor mostrado na Figura 6;

[0016] A Figura 8A é uma vista em perspectiva de um trocador de calor de acordo com outra concretização da presente divulgação;

[0017] A Figura 8B é uma vista detalhada de um conector ilustrado na Figura 8A;

[0018] A Figura 8C é uma vista em corte do trocador de calor ilustrado na Figura 8A;

[0019] A Figura 8D é uma vista em planta de uma placa utilizada no trocador de calor mostrado na Figura 8A; e

[0020] A Figura 9 é um diagrama esquemático de um sistema de geração de energia de acordo com uma concretização da divulgação.

Descrição detalhada

[0021] Referindo-se à Figura 1, uma concretização da divulgação é um trocador de calor 2 configurado para um sistema de geração de energia, de forma que o sistema de geração de energia inclui um primeiro ciclo de Brayton fechado no qual inclui um primeiro fluido, que pode ser um fluido supercrítico, e um segundo ciclo de Brayton aberto, que inclui um segundo fluido, o qual pode ser o ar ambiente. Um exemplo do sistema de geração de energia 100 é descrito abaixo e ilustrado na Figura 9. O trocador de calor 2 está configurado para transferir calor a partir de um dos primeiro e segundo fluidos para o outro dos primeiro e segundo fluidos, dependendo da localização do trocador de calor ao longo do sistema de geração de energia.

[0022] Continuando com a Figura 1, o trocador de calor 2 inclui arranjo de carcaça 10, que contém, pelo menos, um arranjo de placa 40, tal como primeiro e segundo arranjos de placa 40a e 40b, e uma pluralidade de coletores, tal como um primeiro par de coletores 90 e um segundo par de coletores 92. Os coletores são configurados para direcionar respectivos fluidos através do trocador de calor 2 para definirem primeira e segunda configurações de fluxo, conforme explicado adicionalmente abaixo. O trocador de calor 2 inclui uma primeira extremidade 4, uma segunda extremidade 6 oposta à primeira extremidade 2 ao longo de uma direção axial A, um topo 8a e um fundo 8b oposto ao topo 8a ao longo de uma direção vertical V que é perpendicular à direção axial A, e lados opostos 8c e 8d um espaçado do outro ao longo de uma direção lateral L que é perpendicular as direções axial e vertical A e V. As referências a “topo”, “fundo”, “lado”, “esquerdo”, ou “direito”, são apenas para fins ilustrativos e não devem ser limitativos. As direções vertical e transversal V e L podem ser referidas como primeira e segunda direções.

[0023] O arranjo de carcaça 10 circunda e apoia os arranjos de placa 40a e 40b. Mais especificamente, o arranjo de carcaça 10 aplica uma força de tensão a pelo menos um arranjo de placa 40 ao longo da direção axial A, de tal modo que, quando pelo menos um arranjo de placa é exposto a pelo menos uma temperatura predeterminada, o arranjo de placa 40 se expande, pelo menos parcialmente, ao longo da direção axial de modo a reduzir a força de tensão aplicada ao arranjo de placa 40. O arranjo de carcaça 10 e cada arranjo de placa 40a e 40b podem ser feitos a partir de materiais com diferentes coeficientes de expansão térmica, de tal modo que os arranjos de placa 40a e 40b e de carcaça 10 expandem em diferentes temperaturas, ou têm diferentes taxas de expansão para temperaturas semelhantes. Isto resulta em uma limitação nas forças axiais limitativas aplicadas ao arranjo de placa 40 durante o funcionamento, e pode reduzir as tensões de fadiga térmica. Isto limita também a tensão induzida termicamente em várias partes de componentes, que é a causa da fadiga térmica.

[0024] Continuando com figuras 2A e 2B, o arranjo de carcaça 10 inclui um primeiro e segundo blocos de topo 12 e 14 acoplados, respectivamente, às primeira e segunda extremidades 42a e 44a do primeiro arranjo de placa. Os primeiro e segundo blocos de fundo 16 e 18 são acoplados, respectivamente, às primeira e segunda extremidades 42b e 44b do segundo arranjo de placa. Um exemplo do bloco de topo 12 é mostrado na Figura 3A. Os blocos 14, 16 e 18 são configurados de forma semelhante ao bloco de topo 12 mostrado na Figura 3A. O arranjo de carcaça 10 também inclui painéis de carcaça centrais 20a, 20b, 20c e 20d (20d não mostrado) dispostos entre os blocos 12 e 16 e os blocos 14 e 18. Os painéis da carcaça central superior e inferior 20a e 20d estão espaçados entre si ao longo da direção vertical V. Os painéis da carcaça central 20b e 20c estão espaçados um em relação ao outro ao longo da direção lateral L. Consequentemente, painéis da carcaça centrais 20a, 20b, 20c e 20d circundam uma parte central dos arranjos de placa 40a e 40b, de tal modo que os painéis da carcaça central 20a, 20b, 20c e 20d estão espaçados entre si a parti de, e não diretamente ligados as, porções de arranjos de placa 40a e 40b. Os painéis da carcaça 20a, 20b, 20c e 20d pode ser evacuado para eliminar a transferência de calor a partir dos arranjos de placa 40a e 40b para o arranjo de carcaça 10. Além disso, um ou mais sensores de pressão (não mostrado) pode ser utilizado para monitorar fugas. O arranjo de carcaça 10 pode ainda definir um ambiente fechado, especificamente, o arranjo de carcaça é vedado a vácuo.

[0025] Com referência às Figuras 2A e 2B, o trocador de calor 2 também inclui primeiro e segundo blocos intermediários 22 e 24. O primeiro bloco intermediário 22 é posicionado entre as primeiras extremidades 42a e 42b dos arranjos de placa 40a e 40b. O segundo bloco intermediário 24 é posicionado entre a segunda extremidade 44a e 44b dos arranjos de placa 40a e 40b. Consequentemente, os blocos intermediários 22 e 24 espaçados dos primeiro e segundo arranjos de placa 40a e 40b um em relação ao outro ao longo da direção vertical V. Conforme mostrado na Figura 3B, os blocos intermediários 22 e 24 incluem cada, respectivamente, braços 26 e 28, que definem uma abertura em forma de U 30 entre os mesmos. Os lados externos dos braços 26 e 28 incluem recortes 32 que recebem extremidades dos painéis da carcaça lateral central 20b e 20c, de tal modo que os painéis da carcaça 20b e 20c estão alinhados com a extremidade externa dos blocos intermediários. A fixação dos blocos intermediários 22 e 24 às extremidades dos arranjos de placa 40a e 40b desacopla as respostas mecânicas, tais como expansão e contração, de cada arranjo de placa 40a e 40b nas flutuações nas exposições de temperatura durante a operação. Em outras palavras, os primeiro e segundo arranjos de placa 40a e 40b podem expandir, independentemente, ao longo da direção axial A quando expostos a, pelo menos, a temperatura predeterminada.

[0026] As figuras 5A e 5B ilustram um primeiro arranjo de placa 40a utilizado no trocador de calor 2. O segundo trocador de calor 40b é substancialmente semelhante ao primeiro arranjo de placa 40a. Assim, apenas o primeiro arranjo de placa 40a irá ser descrito abaixo. O arranjo de placa 40a inclui uma pilha de placas incluindo uma pluralidade de placas 70 uma empilhada em relação a outra, uma placa de nivelamento superior 48 e uma placa de nivelamento inferior 50 (não mostrada). As placas 46, 48 e 50 podem ter substancialmente a mesma forma. Na concretização ilustrada o arranjo da placa 40a inclui dez placas separadas. No entanto, pode ser utilizado mais do que dez ou menos do que dez placas.

[0027] Continuando com as Figuras 5A e 5B, o arranjo de placa 40a define a primeira configuração de fluxo 52, e uma segunda configuração de fluxo 54 que é separada da primeira configuração de fluxo 52. Cada uma das primeira e segunda configurações de fluxo 52 e 54 se estendem da primeira extremidade 42a para a segunda extremidade 44a de modo a direcionar, respectivamente, os primeiro e segundo fluidos, através do arranjo de placa 40a. Conforme ilustrado, a primeira extremidade 42a pode definir uma extremidade de entrada do arranjo de placa 40a e a segunda extremidade 44a pode definir uma extremidade de saída do arranjo de placa 40a, de tal modo que fluidos geralmente percorrem através do trocador de calor 2 da extremidade 42a para a extremidade 44a. Consequentemente, a primeira configuração de fluxo 52 inclui uma primeira entrada 53a, definida pela primeira extremidade 42a do arranjo de placa 40a, e uma primeira extremidade de saída 53b definida pela segunda extremidade 44a. A segunda configuração de fluxo 54 inclui uma segunda entrada 55a definida pela primeira extremidade 42a e uma segunda saída 55b pela segunda extremidade 44a do arranjo de placa 40a.

[0028] O trocador de calor 2 é montado no estado frio de tal modo que o arranjo de placa 40a é colocado em tensão ao longo da direção axial A. Quando do aquecimento durante a utilização, pelo menos uma parte do arranjo de placa 40a pode expandir ao longo da direção axial A, de modo a minimizar as forças axiais quando o arranjo de placa 40a é exposto a temperaturas de operação de concepção. Por exemplo, o arranjo de placa 40a inclui um primeiro segmento de plataforma 56, que define a primeira extremidade 42a, um segundo segmento de plataforma 58 que define a segunda extremidade 44a, e uma parte de serpentina que se estende entre o primeiro segmento de plataforma 56 e o segundo segmento de plataforma 58. A parte de serpentina inclui primeiro e segundo segmentos de serpentina 60 e 62. Os segmentos de serpentina 60 e 62 incluem porções de entalhe 64 configuradas para permitir a expansão e contração dos segmentos de serpentina 60 e 62 ao longo da direção axial A.

[0029] O primeiro par de coletores 90 anexado a primeira extremidade 42a do arranjo de placa 40a de modo a ser alinhado com o par de entradas 53a e 55a do primeiro par de aberturas das primeira e segunda configurações de fluxo. O segundo par de coletores 92 ligado à segunda extremidade 44a do arranjo de placa 40a de modo a estar alinhado com as saídas 53b e 55b.

[0030] A figura 5C ilustra a configuração de placas que definem o arranjo da placa 40a. Como observado acima, a pilha de placas 46 inclui uma pluralidade de placas arranjadas que definem as primeira e segunda configurações de fluxo 52 e 54 descritas acima. A Figura 5C ilustra três placas em uma vista explodida. As placas superior e inferior são semelhantes e cada uma delas pode ser referida, como um primeiro tipo de placa 70a. A placa central 70b se difere da placa 70a e pode ser referida como o segundo tipo de placa.

[0031] Consequentemente, a pilha 46 inclui primeiro e segundo tipos de placas que definem as configurações de fluxo 52 e 54, conforme detalhado a seguir. A placa 70a será descrita a seguir, sendo entendido que as placas 70a e 70b são semelhantes, a menos que indicado ao contrário. A placa 70a inclui extremidades opostas 72a e 72b, um lado esquerdo 72c e um lado direito 72d oposto ao lado esquerdo 72c ao longo da direção lateral. Conforme ilustrado, o lado esquerdo 72c está disposto no lado esquerdo da página, e o lado direito 72d está da direita para a esquerda 72c na folha. A utilização de “esquerda” e “direita” não deve ser um fator limitante aqui. A placa 70a também define uma superfície inferior 71a e uma superfície superior 71b oposta à superfície inferior. A superfície inferior 71a é uma substancialmente plana. A superfície superior 71b define primeiro e segundo fluxo canais 80 e 82. Os primeiro e segundo canais de fluxo 80 e 82 serão descritos mais abaixo.

[0032] Continuando com a Figura 5C, a placa 70a inclui uma primeira plataforma 74, uma segunda plataforma 76, e pelo menos um segmento de serpentina que se estende a partir da primeira plataforma 74 para a segunda plataforma 76. Conforme ilustrado, a placa 70a inclui uma primeira plataforma de serpentina 78r e uma segunda plataforma de serpentina 78l. Quando as placas são montadas na pilha 46, as primeiras plataformas para cada placa definem o primeiro segmento de plataforma 56 do arranjo de placa 40a, as segundas plataformas para cada placa definem o segundo segmento de plataforma 58 do arranjo de placa 40a, as primeiras plataformas de serpentina das placas definem o primeiro segmento de serpentina 60 do arranjo de placa 40a, e as segundas plataformas de serpentina definem o segundo segmento de serpentina 62 do arranjo de placa 40a. Cada placa define ainda uma pluralidade de ranhuras 64 que são alongados ao longo de uma direção lateral L. Cada ranhura 64 permite que cada placa 70a se expanda, pelo menos parcialmente, ao longo da direção axial A.

[0033] Conforme descrito acima, cada placa define um primeiro canal de fluxo 80 e um segundo canal de fluxo 82 que é separado a partir do primeiro canal de fluxo 80. O primeiro canal de fluxo 80 se estende ao longo da primeira plataforma de serpentina 78r, e o segundo canal de fluxo 82 se estende ao longo da segunda plataforma de serpentina 78l. A placa 70a inclui primeiros portais de canal de fluxo 84a e 84b dispostos, respectivamente, nas extremidades opostas 72a e 72b da placa 70a. A placa 70a também inclui segundos portais de canal de fluxo 86a e 86b dispostos, respectivamente, nas extremidades opostas 72a e 72b da placa 70a. A placa 70b, no entanto, inclui primeiros portais de canal de fluxo 84c e 84d dispostos, respectivamente, nas extremidades opostas 72a e 72b da placa 70b. A placa 70b também inclui segundos portais de canal fluxo 86c e 86d dispostos, respectivamente, nas extremidades opostas 72a e 72b da placa 70b.

[0034] As diferenças entre a placa 70a, ou o primeiro tipo de placa, e a placa 70b, do segundo tipo de placa, é a localização dos portais de canal de fluxo ao longo extremidades opostas 72a e 72b das placas. Mais especificamente, a placa 70a inclui primeiros e segundos portais de fluxo do canal configurados como entradas 84a e 86a que estão dispostas mais próximas do lado esquerdo 72c do que do lado direito 72d, e os primeiros e segundos portais de canal de fluxo configurados como saídas 84b e 86b que estão dispostos mais próximos ao lado direito 72d do que do lado esquerdo 72c. A placa 70a pode ser referida como uma placa de “saída à direita”. A placa 70b, no entanto, inclui primeiro e segundo portais de fluxo de canal configurados como entradas 84c e 86c que estão dispostos mais próximos do lado direito 72d do que do lado esquerdo 72c, e os primeiro e segundo portais do canal de fluxo configurados como saídas 84d e 86d que estão dispostas mais próximas ao lado esquerdo 72c do que do lado direito 72d. A placa 70b pode ser referida como uma placa de “saída à esquerda”. As primeira e segunda placas 70a e 70b são empilhadas alternadamente de tal modo que o primeiro e segundo fluxos de canais de cada primeira placa 70a definem a primeira configuração de fluxo 52, e os primeiro e segundo canais de cada segunda placa 70b definem a segunda configuração de fluxo 54. Pelo menos uma parte do primeiro canal de fluxo 80 e do segundo canal de fluxo 82 são uma paralela à outra ao longo das porções de plataforma.

[0035] As Figuras 6 e 7 ilustram um trocador de calor 302 de acordo com outra concretização da presente divulgação. O trocador de calor 302 é semelhante ao trocador de calor 2. Os componentes semelhantes de cada trocador de calor têm sinais de referência semelhantes. De acordo com a concretização ilustrada, o trocador de calor 302 inclui arranjo de carcaça 10 e um arranjo de placa 340a. Além disso, cada arranjo de placa 340a inclui uma pluralidade de placas empilhadas, incluindo um primeiro tipo de placa 370a e um segundo tipo de placa 370b. Cada placa define um único segmento de serpentina 360 que se estende entre as extremidades da plataforma 56 e 58. Além disso, a placa 370a define um único canal de fluxo 352 que se estende ao longo da plataforma de serpentina 360. O arranjo da placa 340A define portais 384 e 386. O arranjo de carcaça 10 aplica uma força de tensão ao arranjo de placa 340a ao longo da direção axial A, de tal modo que, quando o arranjo de placa 340a é exposto a pelo menos uma temperatura predeterminada, o arranjo de placa 340a se expande, pelo menos parcialmente, ao longo da direção axial A, de modo a reduzir a força de tensão aplicada ao arranjo de placa 340a.

[0036] As figuras 8A-8D ilustram o trocador de calor 402 de acordo com outra concretização da presente divulgação. O trocador de calor 402 é semelhante ao trocador de calor 2. Os componentes semelhantes de cada trocador de calor têm sinais de referência semelhantes. O trocador de calor 402 inclui um arranjo de carcaça 410 e pelo menos um arranjo de placa 440a incluindo uma primeira extremidade, uma segunda extremidade oposta à primeira extremidade ao longo da direção axial A.

[0037] Cada arranjo de placa 440a inclui uma pluralidade de placas 470 empilhadas uma em relação a outra ao longo da direção lateral L. O trocador de calor define uma primeira configuração de fluxo 442 através do arranjo de placa 440a e a segunda configuração de fluxo 444 que é definida por aberturas entre placas adjacentes 470 em cada arranjo de placa 440a. Uma pluralidade de arranjos de placa 440a pode ser disposta de ponta a ponta ao longo da direção axial A.

[0038] O arranjo de carcaça 410 incluem painéis de carcaça 415a e 415b, e um par de trilhos de compressão 420a e 420b. Cada trilho de compressão 420a e 420b inclui uma primeira extremidade e segunda extremidade oposta à primeira extremidade ao longo da direção axial A. Os trilhos de compressão 420a e 420b aplicam uma força ao arranjo de placa 440a ao longo da direção lateral L. O trilho de compressão pode ser feito de materiais cerâmicos, tal como carboneto de silício. O trocador de calor 402 também inclui um primeiro arranjo acoplador 450a que acopla as primeiras extremidades do par de trilhos de compressão 420a e 420b uma à outra, e um segundo arranjo acoplador 450b que acopla as segundas extremidades do par de trilhos de compressão 420a e 420b uma à outra. O primeiro arranjo acoplador 450a é acoplado a uma extremidade de entrada de um primeiro arranjo de placa 440a, de modo que o primeiro arranjo acoplador 450a define uma trajetória de entrada para um fluido dentro do primeiro arranjo de placa 440a. O segundo arranjo acoplador 450b é acoplado a extremidade de saída de um segundo arranjo de placa 440n, de modo que o segundo arranjo acoplador 450b define uma trajetória de saída para o fluido sair do segundo arranjo de placa 450n. Conforme mostrado na Figura 8D, cada placa 470 inclui um primeiro recorte curvado 472, um segundo recorte curvado 474, um recorte central 475, e uma ranhura 476 que se estende a partir do primeiro recorte curvado 472 para o segundo recorte curvado 476. Cada placa 470 define um canal de fluxo interno 478. Os canais de fluxo 478 de cada placa no trocador de calor 402 definem a configuração primeiro fluxo.

[0039] A Figura 9 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 uma concretização, 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.

[0040] 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. Qualquer um até todos os trocadores de calor 130, 132, 134, 136, e 138, podem ser semelhantes ao trocador de calor 2, 302 ou 402 conforme descrito acima.

[0041] Continuando com a Figura 9, inicialmente uma corrente 202 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 202 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 31,05°C (304,2°K) e 7,35 MPa. Em uma concretização, o fluido supercrítico entrando no compressor 110 é arrefecido dentro de pelo menos ± -271,14°C (2°K) do seu ponto crítico. Em uma concretização adicional, o fluido supercrítico entrando no compressor 110 é arrefecido dentro de ± -272,15°C (1°K) do seu ponto crítico. Ainda em outra concretização, o fluido supercrítico entrando no compressor 110 é arrefecido dentro de ± -272,95°C (0,2°K) do seu ponto crítico.

[0042] Continuando com a Figura 9, 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 206 e 208. As correntes 206 e 208 podem ser aqui referidas como correntes de descarga 206 e 208 do compressor. A divisão permite que a primeira parte da corrente de descarga 204, a partir do compressor 110, a ser recuperada e a parte 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 204 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 204 para a primeira corrente de descarga 206. O equilíbrio do fluxo da corrente de descarga 204 é dirigido à segunda corrente de descarga 208. Em outro aspecto, a válvula 122a é configurada para direcionar cerca de 67% da corrente de descarga 204 para a primeira corrente de descarga 206.

[0043] Continuando com a Figura 9, a primeira corrente de descarga 206 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 206. A corrente 219 de SCO2 aquecido descarregado a partir do trocador de calor de recuperação 130 é direcionada para a junção 124a e misturada com a corrente 210 de SCO2 aquecido que sai do trocador de calor de ciclo cruzado 134.

[0044] Conforme mostrado na Figura 9, a segunda corrente de descarga 208, 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 208 de SCO2. A corrente 210 descarregada a partir do trocador de calor 134 se mistura com a corrente 219 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.

[0045] O fluxo misturado 212 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 214 de SCO2 aquecido.

[0046] A corrente 214 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 215 é recirculada 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 energia de saída para o sistema 100. Em uma concretização alternativa, o ciclo 102 pode incluir uma turbina 114 com o eixo 118 conectado à turbina 114 e ao gerador 120. Em tal concretização, a corrente de descarga 16 poderia descarregar a partir da turbina 114 em uma válvula 1202b.

[0047] Continuando com a Figura 9, a corrente de descarga 216, a partir da segunda turbina de SCO2 116, pode ser dividida em primeira e segunda porções como a corrente de descarga 218 e a corrente de descarga 202. A corrente de descarga 218 e a corrente de descarga 202 podem ser referidas como primeira e segunda correntes de descarga 18 e 202. Conforme ilustrado, a válvula 1202b pode dividir a corrente de descarga 216 dentro da primeira e segunda correntes de descarga 18 e 202. 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 216 dentro da segunda corrente de descarga 202. O equilíbrio do fluxo da corrente de descarga 216 é dirigido para a primeira corrente de descarga 218. Em outro aspecto, a válvula 122b é configurada para direcionar cerca de 80% da corrente de descarga 216 dentro da segunda corrente de descarga 202. Independentemente de que forma a corrente de descarga 216 da turbina de SCO2 é dividida, a primeira corrente de descarga 218 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.

[0048] A segunda corrente de descarga 202 é direcionada ao trocador de calor de recuperação 130, onde o calor a partir da corrente de descarga 202 é transferido para a primeira corrente descarregada 206 a partir do compressor de SCO2 110. Em outras palavras, o trocador de calor de recuperação 130 arrefece a corrente de descarga 202 de SCO2. A corrente de descarga 224 do SCO2 arrefecido a partir do trocador de calor de recuperação 130 é misturada com uma corrente de entrada 202 do trocador de calor 136 em uma junção 124b. A partir da junção 124b, a corrente misturada 126 é direcionada ao trocador de calor de ciclo cruzado 138 (que pode ser opcional). Por exemplo, a corrente misturada 126 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 126 de SCO2 é transferido para a trajetória de fluxo 108 do ciclo de ar 104. A corrente 128 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 202. SCO2 adicional a partir de um abastecimento 109 pode ser introduzido na corrente 202 de SCO2 dirigido ao compressor de SCO2 110 para compensar qualquer vazamento de SCO2 do sistema. Em qualquer caso, a corrente de SCO2 202 é retornada para a entrada do compressor 110 e as etapas de compressão-aquecimento-expansão-arrefecimento são repetidas.

[0049] Continuando com a Figura 9, 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 230 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 2026 descarregada a partir da turbina 116 através dos trocadores de calor 130 e 136, conforme discutido acima. A corrente 232 de ar comprimido aquecido é então direcionada para o trocador de calor 136, onde o calor a partir da corrente 218 de SCO2 (da turbina de SCO2 116) é transferido para a corrente 232 de ar comprimido. A corrente de descarga 234 é direcionada para a câmara de combustão 158. A câmara de combustão 158 aumenta a temperatura da corrente de ar comprimido 234 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 236 do gás de combustão a partir da câmara de combustão 158 pode ser direcionada para a turbina 154, onde é expandida. A corrente 220 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 212 de SCO2 discutida acima. Após sair do trocador de calor 132, a corrente 241 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 208 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.

[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. Trocador de calor configurado para um sistema de geração de energia, dito trocador de calor (2) compreendendo: - pelo menos um arranjo de placa (40, 40a, 40b, 340a, 440a, 440n, 450n) incluir uma primeira extremidade (42a, 42b), uma segunda extremidade (44a, 44b) oposta à primeira extremidade (42a, 42b) ao longo de uma direção axial, cada arranjo de placa (40, 40a, 40b, 340a, 440a, 440n, 450n) incluindo uma pluralidade de placas (70, 46, 48, 40, 70a, 70b, 370a, 370b, 470) empilhadas uma em relação à outra, o pelo menos um arranjo de placa definindo uma primeira configuração de fluxo (52, 442) e uma segunda configuração de fluxo (54, 444) que é separada a partir da primeira configuração de fluxo (52, 442), as primeira e segunda configurações de fluxo estendendo a partir da primeira extremidade (42a, 42b) à segunda extremidade (44a, 44b) de modo a direcionar primeiro e segundo fluidos, respectivamente, através de pelo menos um arranjo de placa (40, 40a, 40b, 340a, 440a, 440n, 450n), caracterizadopelo fato de um arranjo de carcaça (10, 410) que se aplica uma força de tensão para pelo menos um arranjo de placa (40, 40a, 40b, 340a, 440a, 440n, 450n) ao longo da direção axial, de tal modo que, quando pelo menos um arranjo de placa (40, 40a, 40b, 340a, 440a, 440n, 450n) ser exposto a pelo menos a temperatura predeterminada, cada placa se expande, pelo menos parcialmente, ao longo da direção axial de modo a reduzir a força de tensão aplicada ao arranjo de placa (40, 40a, 40b, 340a, 440a, 440n, 450n).

2. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de pelo menos um arranjo de placa incluir um primeiro segmento de plataforma (56) que define a primeira extremidade (42a, 42b), um segundo segmento de plataforma (58) que define a segunda extremidade (44a, 44b) e pelo menos um segmento de serpentina que se estende entre o primeiro segmento de plataforma (56) e o segundo segmento de plataforma (58).

3. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de pelo menos um segmento de serpentina ser um primeiro segmento de serpentina (60) e um segundo segmento de serpentina (62) que está separado do primeiro segmento de serpentina (60).

4. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o pelo menos um arranjo de placa ser um primeiro arranjo de placa (40a) e um segundo arranjo de placa (40b), de tal modo que o primeiro e o segundo arranjo de placa (40a, 40b) podem, de forma independente, expandir ao longo da direção axial (A) quando é exposto a pelo menos a temperatura predeterminada.

5. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o pelo menos um arranjo de placa ser um primeiro arranjo de placa (40a) e um segundo arranjo de placa (40b), e o primeiro arranjo de placa (40a) e o segundo arranjo de placa (40b) estarem espaçados um em relação ao outro ao longo de uma direção vertical (V) que é perpendicular à direção axial (A).

6. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de o pelo menos um arranjo de placa ser um primeiro arranjo de placa (40a) e um segundo arranjo de placa (40b), e o trocador de calor (2) compreender ainda um primeiro bloco intermediário (22) disposto entre as primeiras extremidades (42a, 42b) dos primeiro e segundo arranjos de placa, e um segundo bloco intermediário (24) disposto entre as segundas extremidades (44a, 44b) dos primeiro e segundo arranjos de placa, de tal modo que os primeiro e segundo blocos intermediários (22, 24) separados a partir do primeiro arranjo de placa (40a) a partir do segundo arranjo de placa (40b).

7. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o pelo menos um arranjo de placa ser um primeiro arranjo de placa e um segundo arranjo de placa, e o primeiro arranjo de placa e o segundo arranjo de placa estarem espaçados um em relação ao outro ao longo da direção axial (A).

8. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a primeira configuração de fluxo (52) incluir uma primeira entrada (53a) definida pela primeira extremidade (42a) de pelo menos um arranjo de placa (40a) e uma primeira saída (53b) definida pela segunda extremidade (44a) de pelo menos um arranjo de placa, sendo que a segunda configuração de fluxo (54) inclui uma segunda entrada (55a) definida pela primeira extremidade (42a) de pelo menos um arranjo de placa (40a) e uma segunda saída (55b) definida pela segunda extremidade (44a) de pelo menos um arranjo de placa (40a).

9. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de compreender ainda um primeiro par de coletores (90) anexado à primeira extremidade (42a) de pelo menos um arranjo de placa (40a), e um segundo par de coletores (92) anexado à segunda extremidade (44a) de pelo menos um arranjo de placa (40a), sendo que o primeiro par de coletores (90) está alinhado com um primeiro par de aberturas (53a e 55a) da primeira e segunda configurações de fluxo, sendo que o segundo par de coletores (92) alinhado com um segundo par de aberturas (53b, 55b) das primeira e segunda configurações de fluxo.

10. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a pluralidade de placas (70, 46, 48, 40, 70a, 70b, 370a, 370b, 470) ser empilhadas uma em relação à outra ao longo de uma direção vertical (V) que é perpendicular à direção axial (A).

11. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a pluralidade de placas (70, 46, 48, 40, 70a, 70b, 370a, 370b, 470) ser empilhada uma em relação à outra ao longo de uma direção lateral que é perpendicular à direção axial (A).

12. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de cada placa definir um primeiro canal de fluxo (80) e um segundo canal de fluxo (82) que é separado a partir do primeiro canal de fluxo (80).

13. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de duas placas diferentes definirem um primeiro canal de fluxo e um segundo canal de fluxo que é separado a partir do primeiro canal de fluxo.

14. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de cada placa incluir uma primeira plataforma (74), uma segunda plataforma (76), e pelo menos um segmento de serpentina que se estende a partir da primeira plataforma (74) para a segunda plataforma (76).

15. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de o pelo menos um segmento de serpentina ser uma primeira plataforma de serpentina (78r) e uma segunda plataforma serpentina (78l), e o primeiro canal de fluxo (80) estendendo ao longo da primeira plataforma de serpentina (78r), e o segundo canal de fluxo (82) estendendo ao longo da segunda plataforma serpentina (78l).

16. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de cada placa incluir extremidades opostas (72a, 72b), um lado esquerdo (72c) e um lado direito (72d) oposto ao lado esquerdo (72c), sendo que uma primeira placa (70a) de pelo menos um arranjo de placa inclui primeira e segunda entradas (84a, 86a) dos canais de fluxo que estão dispostas mais próximas ao lado esquerdo (72c) do que no lado direito (72d), e primeira e segunda saídas (84d, 86d) do canal de fluxo que estão dispostas mais próximas ao lado direito (72d) do que no lado esquerdo (72c).

17. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de uma segunda placa (7 0b) de pelo menos um arranjo de placa incluir uma primeira e segunda entradas (84c, 86c) dos canais de fluxo que estão dispostas mais próximas ao lado direito (72d) do que no lado esquerdo (72c), e primeira e segunda saídas (84d, 86d) do canal de fluxo que se encontram dispostas mais próxima do lado esquerdo (72c) do que no lado direito (72d).

18. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de as primeira e segunda placas (70a, 70b) serem empilhadas alternadamente tal que os primeiro e segundo canais de cada primeira placa (70a) definirem a primeira configuração do fluxo (52), e os primeiro e segundo canais de cada segunda placa (70b) definirem a segunda configuração do fluxo (54).

19. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de cada placa incluir uma superfície inferior (71a) e uma superfície superior (71b) oposta à superfície inferior (71a), sendo que a superfície inferior (71a) é plana, e a superfície superior (71b) define os primeiro e segundo canais de fluxo (80, 82).

20. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de uma parte do primeiro canal de fluxo (80) e do segundo canal de fluxo (82) ser uma paralela à outra.