BR112017008367B1

BR112017008367B1 - Arranjo de captura, armazenamento e troca de calor térmico

Info

Publication number: BR112017008367B1
Application number: BR112017008367-1A
Authority: BR
Inventors: Scott Raymond Frazier; Jennifer Fon Tuey; Miles L. Abarr; Karl Ginter; Brendan R. Geels; Alex Lau
Original assignee: Bright Energy Storage Technologies, Llp
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2015-10-21
Publication date: 2021-12-14
Also published as: EP4036381A1; US10634436B2; MX2021014962A; MX2017005311A; EP3209868A4; JP2017537253A; CN107075970B; AU2015335896B2; ZA201702844B; US10054373B2; US20160108761A1; WO2016065064A1; AU2015335896A1; CN107075970A; BR112017008367A2; EP3209868B1; EP3209868A1; US20180320986A1; RU2659911C1; EP4036381B1

Abstract

um arranjo de captura, armazenamento e troca de calor térmico inclui pelo menos uma disposição (txes) de armazenamento e troca térmica, com cada disposição de txes incluindo um ou mais elementos de txes que recebem um fluxo de fluido de um fluido da fonte aquecido e um fluido de trabalho, com os elementos de txes provendo uma transferência de energia térmica entre o fluido da fonte aquecido e os elementos de txes. um sistema coletor fornecer o fluido de trabalho a uma entrada dos elementos de txes e recebe o fluido de trabalho a partir de uma saída dos elementos de txes. pelo menos um motor térmico operável com pelo menos uma disposição de txes extrai o calor a partir da disposição de txes e converte-o em energia mecânica, com o motor térmico sendo conectado seletivamente ao sistema coletor de uma disposição de txes para passar o fluido de trabalho através dos elementos de txes, de tal modo que ocorra uma transferência de energia térmica entre o fluido de trabalho e os elementos de txes.

Description

Antecedentes da Invenção Campo de invenção

[0001] A tecnologia, ilustrativa, exemplificativa aqui se refere a sistemas, softwares e métodos para o gerenciamento de motores térmicos, comumente utilizados em motores de ciclo do tipo Rankine de mudança de fase e, mais particularmente, o gerenciamento da captura de calor, armazenamento e utilização. Conforme aqui discutido, o termo ciclo Rankine refere-se à ampla família de ciclos onde o fluido de trabalho é pressurizado em um estado líquido, talvez a pressões super ou subcríticas e/ou talvez usando misturas de fluidos, tais como aqueles do ciclo Kalina.

A técnica relacionada

[0002] Os sistemas que capturam e reutilizam o calor residual têm sido extensivamente descritos na técnica. Geralmente, estes sistemas envolvem uma série de compensações de engenharia para otimizar a eficiência através da otimização da transferência de calor a partir da fonte de calor para um motor Rankine que converte a energia térmica transferida em energia mecânica. Tipicamente, estas desvantagens concentram-se na eficiência do trocador de calor e em trabalhar as características do fluido.

[0003] A eficiência do trocador de calor é uma função dos materiais do trocador de calor e a concepção do trocador de calor, enquanto que os fluidos de trabalho são otimizados para coincidir com a captura de calor e características de liberação do fluido para a temperatura de trabalho do sistema.

[0004] O custo de armazenamento de energia efetiva é muito importante. O armazenamento de energia eletroquímica tem pontos fortes, mas muitas vezes têm preocupações de custos, segurança e tempo de vida. Os sistemas de energia mecânicos tais como, a armazenagem de energia de ar comprimido e hidro bombeado, fornecem a grande maioria da capacidade de armazenamento de eletricidade em larga escala hoje e provaram a confiabilidade em longo prazo e um desempenho aceitável.

[0005] Um sistema de fluido comprimido de custo compensador e adequadamente eficiente necessita armazenar o custo da energia de forma eficaz e tem um processo termodinâmico que é eficiente em ambas as direções: carregamento e descarregamento. Uma maneira comum é tentada para que os estados do processo sejam muito semelhantes em cada etapa do processo em cada direção, isto é, as pressões e as temperaturas em cada ponto no processo são muito semelhantes entre o processo de carga e o processo de descarga.

[0006] Existem duas grandes categorias de sistemas de armazenamento de energia mecânicos de fluido comprimido: 1) bombas térmicas como parte de um sistema de armazenamento de energia térmica bombeado (PTES) e 2) sistemas de armazenamento de energia de fluido comprimido (CFES), onde os sistemas de armazenamento de energia de ar comprimido (CAES) são um subconjunto amplamente explorado dessa área. A distinção aqui é que o fluido não pode ser ar e ele pode não ser sempre um gás que pode ser um fluido supercrítico e pode existir partes do processo onde o fluido está na fase líquida, ou uma combinação das fases líquida e gasosa.

[0007] Os sistemas PTES geralmente armazenam a energia em uma diferença de energia térmica entre algumas massas. O carregamento envolve o aumento da quantidade de massa que tem a diferença de temperatura (ou mais rigorosamente entalpia), ou aumentando a entalpia de uma massa fixada [em relação ao meio ambiente], ou alguns de ambos e o descarregamento está tendo a energia potencial e a conversão em trabalho mecânico e/ou elétrico.

[0008] Um desafio clássico na tentativa de utilizar um fluido além do ar em sistemas de armazenamento de energia mecânica é que ele geralmente requer o armazenamento do fluido de baixa pressão, que é frequentemente, muito volumoso, causando desafios de custo e de acondicionamento local. Além disso, se os fluidos são produtos químicos, como refrigerantes, o custo do material tem que ser considerado e bem como os riscos e custos de vazamentos do sistema.

[0009] A tecnologia aqui tem aplicações nas áreas de captura e gerenciamento do calor residual e o gerenciamento e otimização de motores térmicos acionados a partir deste calor.

Sumario da invenção

[0010] De acordo com um aspecto da invenção, um arranjo de captura, armazenamento e troca de calor térmico, compreende: pelo menos uma disposição (“array”) (TXES) de armazenamento e troca térmica, pelo menos uma de cada das disposições de TXES compreendendo: um ou mais elementos de TXES cada um configurado para receber um fluxo de fluido através do mesmo de cada de um fluido da fonte de calor e um fluido de trabalho, com cada de um ou mais elementos de TXES provendo uma transferência de energia térmica entre o fluido da fonte de calor e os elementos de TXES e um sistema coletor conectado a um ou mais elementos de TXES através da tubulação de modo a prover o fluido de trabalho a uma entrada de um ou mais elementos de TXES e receber o fluido de trabalho a partir de uma saída de um ou mais elementos de TXES e pelo menos um motor térmico operável com pelo menos uma disposição de TXES para extrair o calor a partir de pelo menos uma disposição de TXES e convertê-lo em energia mecânica, cada um de pelo menos um dos motores térmicos sendo conectado seletivamente ao sistema coletor de uma respectiva disposição de TXES para passar o fluido de trabalho através de um ou mais elementos de TXES da respectiva disposição de TXES, de tal modo que ocorra uma transferência de energia térmica entre o fluido de trabalho e um ou mais respectivos elementos de TXES.

[0011] De acordo com outro aspecto da invenção, um arranjo de captura, armazenamento e troca de calor térmico, compreende: pelo menos uma disposição (TXES) de armazenamento e troca térmica modular, pelo menos cada uma das disposições de TXES modulares compreendendo um ou mais elementos de TXES incluindo cada um: um substrato do material da disposição, um ou mais tubos ou passagens de combustão formados ou posicionados no substrato do material da disposição para prover um fluxo de um fluido da fonte aquecido através do elemento de TXES, o fluido da fonte aquecido provido a partir de uma fonte de calor, e um ou mais tubos de fluido de trabalho posicionados no substrato do material da disposição separados a partir de um ou mais tubos ou passagens de combustão para prover um fluxo de um fluido de trabalho através do elemento de TXES, um ou mais motores térmicos operáveis com pelo menos uma disposição de TXES para extrair o calor a partir de pelo menos uma disposição de TXES e convertê-lo em energia mecânica, um ou mais motores térmicos provendo o fluido de trabalho para pelo menos uma disposição de TXES modular e um sistema de válvula posicionado na tubulação e condutos conectando a fonte de calor a pelo menos uma disposição de TXES modular e conectando um ou mais motores térmicos a pelo menos uma disposição de TXES modular, o sistema de válvula controlando seletivamente o fluxo do fluido da fonte aquecido para pelo menos uma disposição de TXES modular e um ou mais elementos de TXES da mesma controlando seletivamente o fluxo do fluido de trabalho para pelo menos uma disposição de TXES modular e um ou mais elementos de TXES da mesma.

[0012] De acordo com ainda outro aspecto da invenção um método para montar um arranjo de captura, armazenamento e troca de calor térmico compreende: prover pelo menos uma disposição (TXES) de armazenamento e troca térmica modular tendo capacidades de armazenagem e de troca térmica, sendo que provendo cada uma pelo menos uma das disposições de TXES modulares compreendendo: prover um número desejado de elementos de TXES modulares, arranjar o número desejado de elementos de TXES modulares para formar a disposição de TXES modular e acoplar o número desejado de elementos de TXES modulares a um sistema coletor via tubulação para prover uma transferência de fluido de trabalho entre o sistema coletor e os elementos de TXES modulares, acoplar, de forma fluídica, pelo menos uma disposição de TXES modular a uma fonte de calor para receber um fluido da fonte aquecido na mesma com energia térmica a partir do fluido da fonte aquecido sendo armazenado em um ou mais dos elementos de TXES modulares de pelo menos uma disposição de TXES modular, prover em pelo menos um motor térmico que é operável com pelo menos uma disposição de TXES para extrair o calor a partir de pelo menos uma disposição de TXES através do fluido de trabalho e convertê-lo em energia mecânica e conectar, de forma fluídica, cada um de pelo menos um dos motores térmicos ao sistema coletor de uma respectiva disposição de TXES modular para passar o fluido de trabalho através de um ou mais elementos de TXES modulares da mesma, de modo que ocorra uma transferência de energia térmica entre o fluido de trabalho e um ou mais respectivos elementos de TXES.

Breve descrição dos desenhos

[0013] As características da presente invenção serão melhor compreendidas a partir de uma descrição detalhada da invenção e exemplos de concretizações destas selecionadas para efeitos de ilustração e mostradas nos desenhos anexos.

[0014] A Figura 1 ilustra a utilização de um de TXES em um arranjo de exaustão de calor residual existente;

[0015] A Figura 2 ilustra um exemplo do sistema da invenção;

[0016] A Figura 3 ilustra os componentes do controlador de processamento baseado em computador utilizados pelo sistema;

[0017] A figura 4 ilustra um exemplo do circuito de fluido de trabalho dentro de uma disposição de elemento (TXES) de armazenamento de energia e troca térmica;

[0018] As figuras 5a, 5b e 5c ilustram várias configurações de elementos de TXES com uma pluralidade de tubos de combustão e tubos de fluido de processamento embutidos;

[0019] A Figura 6 ilustra um exemplo do elemento de TXES recortado, com moldagem nos canais de combustão;

[0020] A Figura 7 ilustra um arranjo dos elementos de TXES recortados;

[0021] As figuras 8, 9, 10 e 11 ilustram arranjos de tubos de fluido de trabalho helicoidais diferentes dentro dos elementos de TXES; e

[0022] A Figura 12 compreende exemplos de curvas de aquecimento para um elemento de TXES nos seus vários estados. Descrição das concretizações preferidas da invenção Visão geral

[0023] O sistema da invenção e os métodos de operação proporcionam um sistema de troca, armazenagem e captura de calor configurável que pode operar em um elevado nível de desempenho através de uma variedade de condições de funcionamento. Este sistema é chamado de TXES, um sistema de troca térmica e armazenamento de energia. Ao contrário dos sistemas de armazenamento e troca térmica tradicionais, o sistema descrito pode operar de forma eficaz e confiável com uma variedade de fontes de calor, fluidos de trabalho e regimes de pressão, pode ser montado facilmente em módulos, sendo flexível na sua configuração ao mesmo tempo sendo muito rentável. Ele pode ser utilizado para a troca de energia térmica de forma simultânea com múltiplos fluxos de fluido de diferentes composições ou características. Ele pode ser utilizado para a troca de energia térmica simultaneamente com múltiplos fluxos de fluido de diferentes composições ou características.

[0024] Em uma concretização, o sistema pode operar como parte da exaustão de calor de um forno industrial, usina de resistência elétrica, ou outra fonte de calor industrial a fim de captar o calor residual e recuperá-lo para outras utilizações, incluindo a produção de energia. A eficiência de captura de calor e transferência é uma função de transferência de calor a partir da fonte de calor (por exemplo, gases de exaustão) para um fluido de trabalho onde o calor pode ser explorado utilizando processos bem conhecidos, tais como, motores de ciclo Rankine. Nos casos onde todo o calor a partir da fonte de calor não pode ser, de forma eficaz, transferido para o fluido de trabalho, ou onde a fonte de calor tem calor residual insuficiente para aquecer, de forma eficaz, o fluido de trabalho a uma temperatura economicamente viável, a eficiência é perdida ou mecanismos de armazenamento e captura alternativos devem ser usados. Um sistema de captura, armazenamento e extração modular é descrito que pode capturar o calor da fonte de calor através de uma ampla faixa de temperaturas e, em seguida, tornar o calor disponível para um fluido de trabalho apropriado.

[0025] Uma abordagem é a de criar um arranjo de contra fluxo de calor, onde um elemento de TXES é aquecido por um fluido quente (ou gás) fluindo para dentro da extremidade “quente” do elemento de TXES, transferindo o calor dentro do elemento de TXES e o fluido quente de exaustão saindo do elemento de TXES na extremidade “fria”. O fluido de trabalho se move em uma direção oposta, entrando no elemento de TXES na extremidade “fria”, absorvendo energia do calor a partir da disposição do elemento de TXES, e saindo do elemento na extremidade “quente”. Isto escalona (“steepens”) o gradiente térmico. O gradiente térmico é a zona na qual a maior parte do calor que entra é extraído e transferido para um fluido de trabalho a uma distância linear relativamente curta, a extremidade de entrada (por exemplo, “quente”) é mantida a uma temperatura que é muito próxima da temperatura de entrada da fonte de calor e a extremidade “fria” é mantida próxima da temperatura de entrada do fluido de trabalho. Este arranjo pode proporcionar a transferência de calor ideal a partir da fonte de calor ao fluido de trabalho através da disposição do elemento de TXES.

[0026] Uma disposição de TXES pode também ser utilizada em operação de fluxo paralelo. Por exemplo, a disposição de TXES pode ser aquecida em paralelo por um calor bombeado do fluido de trabalho e um fluido térmico residual, ou, alternativamente, dois fluidos de aquecimento em paralelo utilizando o calor armazenado no TXES.

[0027] Para a eficiência global do processo é desejável para o meio de armazenagem térmica ser capaz de fornecer o calor de volta para o processo de descarga com o mínimo de perda de entropia ao longo de um intervalo da possivelmente flutuação dos níveis de entrada de calor (por exemplo, de diferentes fluxos de massa, taxas de temperaturas e condensação). Trocadores de calor de contra fluxo tradicionais proporcionam imediata transferência de calor a partir do fluido da fonte para o fluido de trabalho e são assim apenas eficazes quando a fonte de calor está presente e o fluido de trabalho está fluindo e são mais eficazes quando os fluxos térmicos são constantemente combinados em tempo real. O gradiente térmico é assim instável e imediatamente se altera conforme as características da fonte de calor ou do fluido de trabalho flui se alteram (por exemplo, taxas de fluxo alteradas, entrada mais quente ou mais fria ou fluidos de trabalho). Isso resulta em desafios de concepção de engenharia em combinar a fonte de calor com o motor térmico, bem como os desafios operacionais na operação de início e parada, um dos principais desafios para usinas de energia térmica de estilo Rankine. As disposições de TXES e elementos de TXES podem ser configurados para captar e armazenar calor que tipicamente passaria através não capturado em um trocador de calor tradicional (por exemplo, se o fluido de trabalho é incapaz de absorver o máximo de calor como o de entrada contém). O elemento de TXES armazena o excesso de calor a partir do fluido de entrada, com efeito, o carregamento do elemento de TXES com a energia de calor. O carregamento do elemento de TXES desloca a localização do gradiente de temperatura dentro do elemento de TXES. Ao controlar a fonte de calor e os fluxos de fluido de trabalho (por exemplo, o calor adicionado ao elemento de TXES e a quantidade de calor rejeitado dentro do fluido de trabalho podem ser variados sob o controle do processo), o local e a forma do gradiente de temperatura dentro de um elemento de TXES pode ser gerenciado.

[0028] A disposição de TXES opera entre os faixas de temperatura variando das fonte(s) de calor (se estas fontes estão a partir dos gases de exaustão, das fontes de calor líquido tais como, em remoção de calor industrial ou geotérmico, ou outras fontes de calor ou a partir de fluido comprimido a partir de um processo de carregamento por compressão) para capturar, armazenar e rejeitar calor conforme necessário. A disposição de TXES fornece transferências de calor otimizadas em múltiplos estágios em sistemas de motores térmicos de temperatura. Ela também permite uma separação da taxa de transferência térmica com a fonte de calor e o calor necessário por um motor térmico. Esta flexibilidade permite a captura mais eficiente e transferência de energia térmica a partir da fonte de calor em um ou mais fluidos de trabalho. Neste sistema, em um primeiro exemplo de implementação, o processo de descarga é essencialmente um ciclo Rankine, onde o fluido é pressurizado no estado líquido (mantendo a energia de pressurização relativamente baixa) e, em seguida é aquecido, então vaporizado e em seguida sobreaquecido. Em seguida, ele é expandido para extrair energia mecânica e em seguida é condensado de volta para um líquido de modo que ele possa ser pressurizado de novo. O calor latente de vaporização é uma percentagem substancial da entrada de calor que pode ser recuperada a partir do sistema. Temperatura mais quente, maior o trabalho líquido é VERSUS a desvantagem do calor latente que é necessário para vaporizar o fluido.

[0029] O sistema descrito proporciona a captura de calor residual e armazenamento através de uma ampla faixa de faixas de entrada de calor e fornece uma função uniformizada para as fontes de calor de intensidade variável. O calor extraído do sistema pode ser temporizado a partir do calor na fonte de calor de entrada.

[0030] A capacidade para integrar o processo de captura de calor residual com um sistema de armazenamento de energia da eletricidade (um que usa a eletricidade para a fonte de energia durante o carregamento) para criar um sistema de armazenamento de eletricidade e ciclo saturado híbrido para proporcionar eficiência superior.

[0031] Um recurso valioso em qualquer trocador de calor é o melhor custo por área de superfície. Em um tubo de recipiente de pressão, a espessura da parede do tubo é definida pela pressão, resistência do material, fatores de segurança e o diâmetro do tubo. O custo do material do tubo por unidade de área da superfície é proporcional à espessura da parede. Assim, menos material por unidade de área da superfície é alcançado com tubos de menor diâmetro. O desafio pragmático é o custo de conexão de muitos tubos menores em conjunto, coletando VERSUS menos trabalho e juntando-se os custos para tubos de diâmetro maiores que têm maiores custos de material. A utilização de tubos de comprimentos muito longos, permitida pela formação helicoidal dos tubos como utilizados em algumas concretizações, permite que menos tubos separados sejam utilizados para obter a mesma área de superfície sem o uso de aletas ou de outras características de fabricação complicadas. O arranjo helicoidal também permite a dispersão mais uniforme da área de transferência térmica no elemento de TXES.

[0032] Estes e outros aspectos e vantagens tornar-se aparentes quando da descrição abaixo é lida em conjunto com os desenhos anexos. Arquitetura do sistema exemplificativo

[0033] A Figura 1 ilustra um exemplo de implementação das disposições de TXES em um sistema de exaustão. Em operação, o sistema de exaustão transporta os gases de exaustão quentes a partir de uma fonte de calor, através de uma chaminé de exaustão 110, através de uma ou mais disposições de TXES 125a/b antes de expelir os agora gases de exaustão arrefecidos dentro de uma chaminé 120. Note que o tubo e chaminé, neste exemplo, são ilustrativos para um arranjo baseado no gás de exaustão. Os sistemas de tratamento de condensados e gás de exaustão (não mostrados) podem também ser integrados na disposição de TXES, ou como um arranjo de pré- ou pós-processamento conforme necessário para tratar os gases de exaustão a fim de remover os contaminantes tais como o enxofre ou óxidos nitrosos. Outros arranjos para fontes de calor compreendendo os fluidos contendo calor (por exemplo, fontes de calor com líquido, de duas fases, ou entradas de fluido supercrítico, em oposição às entradas gasosas), ou para pré ou pós-processamento adicional dos gases de exaustão, podem ser adicionados sem se desviar do escopo da invenção.

[0034] As disposições de TXES 125 podem ser instaladas de modo que elas facilitam a coleta do condensado que se forma durante a transferência de calor a partir do gás de exaustão para dentro dos elementos de TXES que formam uma disposição de TXES. Um método é o de inclinar os elementos de TXES de modo que o condensado se drene de para um ponto de coleta, onde ele é coletado e pode ser adicionalmente processado. Note que o condensado é frequentemente ainda aquecido (por exemplo, 70°C) e pode ser executado por meio de elementos de TXES adicionais (tanto dentro da mesma disposição de TXES ou em uma ou mais disposição(ões) de TXES adicional(ais) que são otimizadas para extrair os níveis mais baixos de calor remanescente no condensado.

[0035] A Figura 2 ilustra uma implementação da invenção para a captura de calor a partir de entradas gasosas. Este exemplo de implementação compreende uma fonte de calor de combustão 200, um ou mais tubos de exaustão (um tubo mostrado como 110, outros omitidos para maior clareza) que transfere os gases de exaustão quentes, a partir de uma fonte de calor, para uma ou mais disposições de elementos de troca/armazenamento de calor (chamados disposições de TXES e elementos de TXES, respectivamente) (por exemplo, 125a, 125B). Os tubos de exaustão podem ser equipados, opcionalmente, com um ou mais controlador de processamento controlado por registros (“dampers”) do sistema de exaustão 270a, 270b que controlam o fluxo dos gases de exaustão quentes a partir da fonte de calor para um processo especificado pelo controlador de uma ou mais disposições de TXES 125a, 125B e disposições de TXES estando dispostas de modo que os gases quentes fluam a partir da fonte de calor através de pelo menos uma das disposições de TXES selecionadas antes de serem expelidos para a chaminé 120. Em algumas concretizações onde os gases de exaustão podem variar na temperatura, as disposições de TXES podem ser dispostas em séries, de modo que uma primeira disposição de TXES recebe os gases de exaustão mais quentes e uma segunda disposição de TXES recebe os gases de exaustão com temperaturas mais baixas. Isto permite a captura e reutilização da energia de calor adicional a partir dos gases de exaustão fazendo corresponder com a temperatura do gás de exaustão com pelo menos um elemento de TXES (e suportando o trabalho do motor térmico de conversão) que é otimizado para capturar, armazenar e reutilizar a energia calorífica na temperatura atual dos gases de exaustão.

[0036] Os registros controlados manualmente ou controlados por computador 270a, 270b podem ser utilizados para controlar a entrada de gás que flui a partir da fonte de calor para uma ou mais disposições de TXES selecionadas pela abertura e fechamento dos registros. O computador de controle do processo 240 controla os registros de exaustão 270a, 270b quando o sistema está em funcionamento sob controle de processo, tal como quando as temperaturas do gás de exaustão são constantemente variando e a otimização em tempo real do processo de transferência térmica e de reutilização é necessária. Ajustes manuais do registro podem ser utilizados para sistemas com temperaturas e pressões dos gases de exaustão mais constantes. Alternativamente, pode ser utilizada uma combinação de ambas as técnicas de controle de registro.

[0037] Os registros podem ser utilizados para isolar uma disposição de TXES a partir do fluxo de gases de exaustão. Isto pode ser feito por razões diferentes, por exemplo, a disposição de TXES atingiu uma temperatura de funcionamento desejada e o calor pode ser mais utilizado, de forma mais eficaz, em outra disposição de TXES, uma vez que os gases de exaustão estão em uma temperatura que uma disposição de TXES específica não extrairá calor a partir dos gases de exaustão de forma ideal, ou para ter uma disposição de TXES fora da linha (por exemplo, para manutenção).

[0038] Em algumas concretizações e durante algumas condições de operação, um tubo de desvio pode ser utilizado para direcionar os gases de exaustão quentes de tal maneira que nenhum calor seja capturado pelo sistema. A utilização do tubo de desvio é controlada por uma válvula/registro 270b. Em algumas concretizações, o registro do tubo de desvio pode configurar para “falha de abertura” para prover o funcionamento seguro do sistema de exaustão na eventualidade de uma ou mais das disposições de TXES não estarem funcionando corretamente (por exemplo, durante uma falha de subsistemas de extração de calor).

[0039] O tubo de exaustão, chaminé e as disposições de TXES são, preferivelmente, instrumentados com sensores, por exemplo, sensores de temperatura e de pressão que medem a temperatura e a pressão do tubo de exaustão, chaminé e disposições de TXES, fluidos de processo e elementos de TXES individuais (por exemplo, 230a, 230b, 231a, 231b). Cada um dos sensores de temperatura e de pressão estão conectados ao controlador de processamento (utilizando um mecanismo apropriado de sensor, tipicamente de forma elétrica) de modo a prover entradas para o controlador de processamento fornecendo algoritmos de controle que gerenciam a extração de calor, armazenamento e reutilização dentro das disposições de TXES.

[0040] O(s) elemento(s) de TXES é (são) ainda conectado(s) de forma fluida (com a tubulação de fluido de trabalho 260a, 260b) com um ou mais subsistemas do motor térmico (por exemplo, 250a, 250b), onde o fluido de trabalho para cada motor térmico é circulado através de um ou mais dos elementos de TXES de pelo menos uma das disposições de TXES. Os elementos de TXES podem ser “quente” ou “frio”. Um elemento de TXES quente é um TXES que é aquecido por uma entrada (tal como o gás de exaustão), em seguida mantém o calor e transfere-o para um fluido de processamento de trabalho. Um elemento de TXES frio é um que é arrefecido por uma entrada, retém a redução no calor e absorve calor a partir de um fluido de processamento de trabalho. Uma disposição de TXES pode compreender apenas elementos de TXES quentes (em diferentes graus), apenas elementos de TXES frios (em diferentes graus), ou uma combinação de elementos de TXES quente e frio.

[0041] O percurso de fluxo de fluido de trabalho para cada motor térmico pode ser diferente (por exemplo, fluidos de trabalho do motor térmico diferentes podem fluir através de diferentes elementos de TXES). Em implementações mais limitadas, partes do percurso de fluxo podem ser pré- configuradas e/ou configuradas usando válvulas controladas manualmente ou, alternativamente, as válvulas podem ser omitidas e a parte do percurso do fluido é implementada estaticamente. Cada percurso do fluxo de fluido de trabalho é configurado usando valores controlados do controlados de processo de modo que o fluido de trabalho é passado através de pelo menos um elemento de uma disposição de TXES, onde ocorre a transferência de calor entre o fluido de trabalho e o elemento de TXES (tanto aquecimento ou arrefecimento do fluido de trabalho). Em alguns modos de funcionamento, o fluido de trabalho aquecido é depois circulado através de uma turbina e um condensador para converter o calor ao eixo de trabalho em um ciclo Rankine tradicional, ou o fluido de trabalho aquecido é encaminhado para um tanque de armazenagem externo (não mostrado). Ainda em outros modos de funcionamento, parte do fluido de trabalho é encaminhada através dos elementos de TXES e parte do fluido é encaminhado de uma forma que se desvia dos elementos de TXES e é recombinado com o fluido aquecido nos elementos de TXES a fim de produzir temperaturas específicas do fluido de trabalho resultante. Válvulas controladas pelo processador definem, assim, os percursos de encaminhamento de fluido do motor térmico através de uma ou mais disposições de TXES e/ou elementos de TXES. Isto permite que a extração mais eficiente do calor armazenado a partir dos elementos de TXES, controlando o fluxo de um fluido de trabalho através de elementos de TXES selecionados cuja a temperatura corresponde à faixa de operação eficiente de um motor térmico em particular. Desta forma, o fluido de processamento/motor térmico utilizado e o calor de/percursos de fluxo através dos elementos de TXES podem ser combinados, de forma dinâmica, aos elementos de TXES conforme eles mudam de temperatura (conforme eles são aquecidos e conforme o calor é extraído a partir deles).

[0042] Em outros modos de funcionamento, um fluido de trabalho é circulado que foi previamente aquecido (tal como por um elemento de TXES diferente, ou a partir de um armazenamento de fluido de trabalho externo) e é utilizado para transferir calor dentro de um elemento de TXES para os efeitos de distribuição de calor ou pré-aquecimento de um elemento de TXES (por exemplo, para reduzir a tensão térmica sobre o elemento quando ele é exposto a gases de exaustão de calor mais elevado). Este fluxo de aquecimento pode ser tanto contra fluxo ao fluxo de gás de exaustão ou pode ser feito na mesma direção através dos elementos de TXES como o fluxo do gás de exaustão (por exemplo, fluxo paralelo). Uma válvula de inversão de fluxo pode ser provida para reverter a direção do fluxo de fluido de trabalho através de um ou mais elementos de TXES. Este valor pode ser parte dos motores térmicos anexados, ou pode ser integrado em uma disposição de TXES.

[0043] Em algumas concretizações, pelo menos uma das válvulas que controlam o fluxo do fluido de processamento pode ser operada manualmente. Esta disposição é particularmente adequada para quando a disposição de TXES é implantada em um arranjo onde a quantidade de calor extraído, a partir dos gases de exaustão, é aproximadamente compatível à quantidade de calor extraído a partir da disposição de TXES e onde o sistema é executado no equilíbrio de calor (o fluxo de calor de entrada coincide com o fluxo de calor de saída em qualquer ponto particular no período).

[0044] Cada subsistema do motor térmico pode operar em diferentes faixas de temperatura e pode ser otimizado para funcionar dentro de faixas de temperatura específicas usando os mesmos ou diferentes fluidos de processo. Vários tipos de subsistemas de motor térmico são contemplados.

[0045] Um tipo de processo de bomba ou motor térmico principal é o processo de Rankine. Motores térmicos deste tipo operam através da pressurização do fluido de trabalho na fase líquida que, de forma correspondente, tem energia de trabalho de pressurização baixa, mas uma elevada entrada de calor necessária para a ebulição do fluido de trabalho. Estes sistemas têm muitas vezes justamente elevadas pressões de trabalho e o processo de adição de calor necessita acomodar estas pressões de fluido de trabalho. Os sistemas de calor do fluido de motor de Rankine convencional mais comumente utilizam trocadores de calor separando o fluido de trabalho a alta pressão a partir de um fornecimento de calor fluindo, frequentemente gases de combustão. As principais características de concepção dos sistemas de aquecimento Rankine são eficácia de custo quando se lida com a pressão muito alta do fluido de trabalho e as taxas de transferência de calor convectivas frequentemente baixas da fonte de calor.

[0046] Note que existe uma variedade de ciclos de motor que são muitas vezes semelhantes, mas que têm, por exemplo, a pressão do fluido supercrítico e, portanto, não têm tecnicamente uma mudança de fase na parte de alta pressão do sistema. Do mesmo modo, misturas de fluidos têm processos de ebulição variando de temperatura. O termo Rankine ou como Rankine refere-se, tal como é aqui utilizado, para a ampla categoria de bomba térmica/motor térmico de calor onde existe uma mudança de fase na extremidade fria do processo e aos sistemas de motores onde a pressurização ocorre na fase líquida. Outro processo importante no motor térmico ou bomba térmica é o ciclo de Brayton que opera completamente em fase gasosa. Desde que a pressurização do fluido é feita na fase gasosa, existe muito trabalho na pressurização necessária, mas a falta de mudança de fase no processo reduz a quantidade de calor acrescentado por unidade de fluido de trabalho VERSUS um processo Rankine. Por exemplo, em um sistema de Brayton de armazenamento térmico frio, um gás de um fluido de trabalho é comprimido, o superaquecimento é removido para um elemento de TXES quente, passando o gás através de um elemento de TXES, permitindo que o gás de alta pressão frio se expanda para um estado frio. Este gás de fluido trabalho frio é então aquecido usando um elemento de TXES frio, arrefecendo o elemento de TXES (produzindo um elemento de TXES frio). O processo de carregamento é revertido em um processo pelo qual um compressor puxa um gás de fluido de trabalho através do elemento de TXES frio (arrefece o fluido de trabalho e o aquecimento do elemento de TXES) e, em seguida, comprime agora o fluido de trabalho aquecido (criação um gás de alta pressão). O fluido de trabalho aquecido é encaminhado através de um elemento de TXES quente para criar um fluido de trabalho gasoso quente. O fluido de trabalho quente é então expandido de volta para perto da sua temperatura inicial enquanto produzindo um trabalho no eixo.

[0047] Uma vantagem fundamental de um elemento de TXES sobre uma abordagem de armazenamento de calor à base de reservatório (por exemplo, tanques de rocha) é que em uma abordagem baseada em reservatório o recipiente de pressão é enrolado em torno de toda a massa térmica, enquanto que o elemento de TXES requer muito menos material estrutural para o volume pressurizado desde que meios de armazenagem térmica estiverem do lado de fora do recipiente de pressão.

[0048] As grandes vantagens de uma concepção de TXES (por exemplo, armazenamento de energia, seletividade térmica e uniformização da potência) fornecem valor para uma variedade de motores de ciclo de calor. Por exemplo, em um sistema com dois subsistemas de motor de Rankine, o primeiro subsistema de motor de Rankine pode ser configurado para operar mais eficientemente em temperaturas entre temperaturas ambiente e 150 graus C e o segundo subsistema de motor de Rankine pode ser configurado para operar, de forma mais eficiente, em temperaturas acima de 150 graus C. Em algumas concretizações, pode ser utilizada uma pluralidade de diferentes fluidos de trabalho, cada uma como parte de um subsistema de motor de Rankine separado. Os fluidos de trabalho e as características do motor térmico são escolhidos com base nas suas características de operação (por exemplo, calor de vaporização, calor específico VERSUS temperatura e pressão, limites de temperatura máximos, taxas de fluxo disponíveis) VERSUS temperaturas da fonte de calor. Isso permite que uma ampla faixa de desempenho ideal entre os níveis de energia e as temperaturas da fonte de calor.

[0049] Alternativamente, vários subsistemas de motor térmico, compartilhando parâmetros operacionais comuns, podem ser providos em paralelo para aumentar a extração de calor e a capacidade do eixo do sistema. Estes sistemas podem ser interconectados ou operados de forma independente.

[0050] Como tal, a seleção de processos de motor térmico, fluidos de processo, pressões de funcionamento e configurações turbina/condensador para cada subsistema de motor térmico pode ser, independentemente, configurada e as informações relacionadas com estes parâmetros de configuração (temperaturas críticas do fluido de processamento, fluxos de trabalho, fluxo do tubo de fluido de processamento e taxas de troca de calor, parâmetros de controle para bombas e capacidades de armazenamento, etc.) é armazenada no controlador de processamento.

[0051] O sistema da invenção inclui sensores de temperatura e de pressão controlados pelo controlador de processamento embutido dentro e/ou montados sobre os elementos de TXES (por exemplo, 230a, 230b, acima) e na tubulação de fluido do motor de processo 260a, 260b, bem como no controlador de processamento dos registros controlados e/ou válvulas (por exemplo, 270a, 270b e válvulas dentro de uma disposição de TXES) eficaz para encaminhar o fluido de trabalho a fluir para/a partir de um ou mais elementos de TXES, bombas, um ou mais de motores térmicos e um ou mais armazenamento frio (não mostrado). Os sensores e válvulas estão conectados ao controlador de processamento e são controlados por ele.

[0052] O controlador de processamento é também programado com as características de cada elemento de TXES e disposição de TXES a qual ele está conectado, bem como o sensor, válvula e a informação de interconexão de tubulação. Utilizando esta informação, juntamente com as temperaturas do elemento de TXES atual (sobre um elemento pelo elemento de base) e temperaturas de entrada, o controlador de processamento pode selecionar, com base no perfil de temperatura atual de cada elemento individual de TXES, o(s) subsistema(s) de motor térmico mais apropriado(s) para utilizar para extrair o calor a partir de cada elemento de TXES na disposição de TXES. A seleção dos subsistemas do motor térmico a utilizar, pode não ser exclusiva, uma pluralidade de motores térmicos, cada um otimizado para operar usando temperaturas diferentes, pressões, e/ou fluidos de trabalho, pode ser conectado a uma única disposição de TXES.

[0053] Em algumas concretizações, uma pluralidade de disposições de TXES é utilizada. Esta pluralidade de disposições de TXES está, de forma fluídica, conectada utilizando coletores e válvulas controlados pelo controle de processo e tubulações que permitem a configuração do fluxo destes gases de exaustão e do fluido de processamento através de um ou mais elementos de TXES (em cada disposição de TXES) com a finalidade de gerenciar a quantidade de calor armazenado em cada um dos elementos de TXES. Em um exemplo, os gases de exaustão são, preferencialmente, dirigidos dentro dos elementos de TXES que necessitam de aquecimento adicional, em virtude do controlador de processamento controlando uma ou mais válvulas/registros de exaustão para direcionar os gases de exaustão quentes para os elementos de TXES selecionados. Nos casos onde a fonte de calor é provida como um fluido quente, o fluido quente é dirigido, por meio do controlador de processamento controlando uma ou mais válvulas e bombas, em um ou mais elementos de TXES que necessitam de aquecimento adicional.

[0054] O computador de controle do processo utiliza, assim, os registros, válvulas, sensores e controles de bomba do motor térmico para a extração de aquecimento/calor das disposições de TXES (e de cada elemento de uma disposição de TXES) a fim de otimizar a extração de calor, armazenamento e uso da energia térmica disponível.

[0055] Deve ser notado que o sistema da presente invenção, enquanto descrito para os gases de exaustão aquecidos, iria funcionar igualmente bem para extração/armazenamento de calor residual a partir de líquidos quentes ou fontes de fase mistas com modificação mínima de uma maneira entendida pelos técnicos no assunto. A diferença principal é que as propriedades do fluido são diferentes com o líquido tendo densidades muito mais elevadas e, portanto, o calor por unidade de volume e coeficientes de transferência de calor convectivos mais elevados variam de acordo com os fluidos escolhidos. De forma correspondente, as passagens da tubulação podem ser de diferentes materiais, tamanhos e/ou espessura de parede a fim de suportar diferentes fluidos, pressões e temperaturas. Estas considerações podem ser fatoradas na concepção dos tubos de fluido de trabalho e combustão do elemento de TXES e o subsequente acondicionamento de tubos e tubos de combustão que têm diferentes características térmicas em um elemento de TXES.

[0056] Um exemplo interessante é um processo onde um processo de vapor de Rankine rejeita o seu calor como uma adição de calor para um processo de amônia de Rankine que funciona entre o processo de condensação de vapor e a temperatura ambiente. Uma concepção do elemento de TXES poderia ter características que otimizam os gases de exaustão aquecendo o processo de vapor e outro elemento de TXES (e/ou da(s) disposição(ões) de TXES) pode ser otimizado para a condensação do vapor como a fonte de calor (o calor sendo transferido para a ebulição e sobreaquecimento da amônia).

[0057] A presente invenção também poderia ser utilizada para a armazenagem térmica “fria” que armazena “fria” para posterior utilização. Nesta variante, o processo de carregamento aquece um fluido da fonte fria através da transferência de energia de calor a partir de um elemento de TXES previamente aquecido. O processo de descarga arrefece o fluido de trabalho enquanto aquece o elemento de TXES.

[0058] Um exemplo do processo é o uso de um arranjo de TXES como parte de um aparelho de regaseificação de gás natural liquefeito (LNG). Neste exemplo de concretização, o LNG é passado através do conduto de combustão (ou através de um tubo de processo) de uma disposição de TXES, arrefecendo o(s) elemento(s) de TXES e aquecendo o LNG até que ele se altere para o estado gasoso. O gás natural gasoso é a saída do processo. Um processo como Rankine pode ser usado para reverter o processo. Neste exemplo, o motor de Rankine usa metano, que é pressurizado no estado líquido e, em seguida, cozido e superaquecido, talvez por um trocador de calor arrefecendo o ar ambiente, quando aquecendo o metano, este gás pressurizado pode ser expandido e, em seguida, o metano de baixa pressão frio é condensado pelo “frio” armazenado no elemento de TXES. Isto proporciona o metano líquido que pode então ser pressurizado para continuar o processo.

[0059] Em outra concretização alternativa, os gases quentes podem escoar através dos tubos de combustão e o LNG é escoado através dos tubos de fluido de trabalho para alcançar os mesmos efeitos sem se desviar do escopo da invenção.

[0060] Note que o aquecimento de LNG e os processos dos fluxos de calor do fluido não necessitam serem equilibrados como com os trocadores de calor atuais, nem têm de ocorrer ao mesmo tempo (por exemplo, os fluxos de calor podem ser, de forma temporária, deslocados, tal como durante o início/interrupção dos fluxos de fluido de processamento ou LNG). Por exemplo, o LNG pode ser continuamente gaseificada na ausência de geração de energia, ou a energia pode ser gerada pelo processo como Rankine na ausência de gaseificação de LNG usando a capacidade de armazenamento dos elementos de TXES. Os elementos de TXES fornecem a capacidade de armazenamento necessária que suporta o desequilíbrio demanda/fornecimento de calor e deslocamento temporal dos processos de transferência térmica.

[0061] Outro exemplo de processo suportado pelos sistemas de TXES é a liquefação do ar. A liquefação do ar converte ar atmosférico gasoso em ar liquefeito (ou suas partes componentes, oxigênio liquefeito, nitrogênio, etc.) fazendo-o passar através de um ou mais elementos de TXES pré-arrefecido até à temperatura apropriada para liquefazer o elemento desejado. Diferentes elementos de TXES pré-arrefecidos para diferentes temperaturas, podem ser utilizados a fim de gerenciar o elemento liquefeito produzido. A extração de calor a partir destes elementos de TXES, e a sua subsequente conversão ao trabalho é por meio de processos como de Rankine padrão. Note que com o processo variável o fluxo de encaminhamento disponível para os sistemas de TXES, um elemento de TXES pode ser aquecido e arrefecido em toda a faixa de calor útil para todos os gases (ao contrário aos sistemas de liquefação de elemento único) utilizando de forma mais eficaz todo o calor no elemento de TXES.

[0062] A Figura 3 ilustra um exemplo do controlador de processamento 300 do sistema. O controlador de processamento compreende um processador 310, memórias voláteis 320 e não voláteis 325, tais como RAM, ROM, PROM, EEPROM e as semelhantes, sensor de entrada 330, que estão conectados a sensores, tais como, sensores de temperatura e pressão 230 da Figura 2, controle de entrada/saídas 340, conectados a válvulas (por exemplo, as válvulas 270 da Figura 2), sensores de temperatura e de pressão associados com os armazenamentos de fluidos de processo (por exemplo, armazenamentos frio), bombas (não mostradas) e componentes de motor térmico (por exemplo, turbinas, condensadores) e um programa de controle 350 executado pelo processador de modo a ler os valores a partir dos sensores e para determinar e, subsequentemente, os ajustar os valores para a entrada/saídas de controle de modo a efetuarem os processos de controle aqui descritos. Outros sensores podem ser conectados as bombas, turbinas/condensadores e outros equipamentos de operação para detectar as condições de funcionamento e/ou funcionamento defeituoso.

[0063] Cada uma das entradas do sensor e as saídas de controle é conectada, de forma elétrica, ao respectivo componente controlado/sensor do sistema. As conexões sem fios podem ser utilizadas por algumas ou todas as conexões sem se afastar do espírito da invenção.

[0064] Dentro das memórias do controlador de processamento, um ou mais programas de controle são armazenados. Estes programas de controle são executados pelo(s) processador(es) do controlador de processamento e implementam os métodos de controle aqui descritos.

[0065] Adicionalmente, dentro de uma ou mais memórias do controlador de processamento, as informações de configuração em relação aos subsistemas dos motores térmicos, o arranjo de distribuição de gás exaustão, o arranjo da tubulação de fluido de trabalho e cada arranjo da disposição de TXES (incluindo a informação individual do elemento de TXES), como bem os parâmetros de operação e de controle para cada um dos componentes e subsistemas são armazenados. Esta informação é usada pelo controlador de processamento a fim de interpretar as entradas dos sensores e para configurar as saídas de controle em resposta à sua programação de controle.

[0066] Além disso, as memórias do controlador de processamento armazenam a informação de operação atual, tal como a temperatura e pressão atuais para cada um dos sensores do sistema.

[0067] Voltando à Figura 2, cada disposição de TXES compreende um ou mais elementos de TXES 125a/b, sensores de monitoramento 230a/b, 231a/b, válvulas/registros 270a/b e tubulações 260a/b eficazes para proporcionar um fluxo de fluido entre um coletor de entrada da disposição, um ou mais elementos de TXES, e uma disposição do coletor de saída. Cada disposição de TXES está conectada a um tubo da fonte de calor 110, a fonte de calor gasto é encaminhada para uma chaminé de exaustão 120 ou ventilação adequadas e fluidos de trabalho para extrair calor capturado e armazenado nos elementos de TXES a partir de um ou mais de subsistemas de motor térmico é provido através de pelo menos uma tubulação de fluido de trabalho (260a, Figura 4, 430) e pelo menos um fluido de trabalho do lado de fora da tubulação (260b, Figura 4, 450) eficaz para distribuir e coletar os respectivos fluidos de trabalho para, a partir de, e entre os elementos de TXES individuais da disposição de TXES. Uma pluralidade de tubulação de fluido de trabalho pode ser provida fim de: a) proporcionar diferentes percursos de fluido tendo características diferentes (tais como diferindo da extensão do percurso e/ou as taxas de fluxo) e b) ser conectado a diferentes motores térmicos. Válvulas e registros adicionais, conectados a e controlados pelo controlador de processamento, são providos para configurar o fluxo dos fluidos de trabalho e os gases de exaustão aquecidos para, a partir de, e entre os elementos de TXES individuais de cada disposição de TXES (e entre disposições de TXES em várias configurações da disposição de TXES).

[0068] Cada um dos elementos de TXES, válvulas, tubulação e coletores aqui descritos, podem ser isolados conforme desejado para melhor manter a temperatura dos elementos de TXES e a eficiência dos processos de troca. Lã mineral, fibra de vidro, ou outros materiais de isolamento bem conhecidos podem ser utilizados conforme a necessidade. Dependendo dos usos, coberturas externas podem ser providas para proteger o isolamento dos fluxos de exaustão e/ou das condições meteorológicas.

[0069] A figura 4 ilustra um exemplo do arranjo da disposição de TXES da presente invenção, com um exemplo de coletor de entrada 410 e válvulas controladas por computador 420, 460, 465, 470, 480, tubulação de fluido de trabalho 430, e quatro elementos de TXES (por exemplo, 440a/b/c/d) que podem ser configurados para produzir qualquer percurso de fluido desejado através dos elementos da disposição de elemento de TXES. Nesta disposição de TXES compreende quatro elementos, mas qualquer número de elementos de TXES pode ser utilizado na criação de uma disposição de elemento de TXES.

[0070] Cada um dos elementos de TXES utilizados na disposição de TXES pode ter características de troca e armazenagem térmicas semelhantes ou diferentes. Assim, uma disposição de TXES pode compreender elementos de TXES configurados para operação em alta temperatura e ter diferentes elementos de TXES que estão configurados para otimizar a transferência de calor em temperaturas mais baixas. Alternativamente, todos os elementos de uma disposição de TXES podem ter características de transferência e de captura de calor semelhantes. Interconexão de coletor aos elementos de TXES

[0071] Os elementos de TXES são tipicamente formados para terem canais de combustão construídos integralmente como parte do elemento. Nos exemplos onde os tubos de gás da fonte de calor (por exemplo, combustão) são descritos, a invenção pode ser utilizada utilizando concepções de elementos de TXES sem tubos, tal conforme aqui descrito, ou podem ser construídos utilizando tubos de exaustão de concepções convencionais (por exemplo, de tubulações de aço).

[0072] Dependendo da disposição dos elementos de TXES desejados, tubos coletores individuais podem ser conectados entre o coletor de entrada da fonte de calor de uma disposição de TXES e os tubos de exaustão de elementos de TXES individuais com uma tubulação. Esta tubulação pode ter, adicionalmente, um registro/válvula controlado pelo controlador de processamento em linha para controlar o gás da fonte de calor para fluir para o elemento de TXES específico. Um arranjo semelhante é utilizado para o tratamento dos gases da fonte de calor perdidos após terem tido calor extraído a partir dos mesmos.

[0073] Uma segunda abordagem é a de arranjar as extremidades dos tubos (para os tubos incorporadas nos elementos de TXES) em uma fila de modo que um tubo retilíneo com pontas periódicas pode ser fabricado conectando diversos tubos a um coletor comum. Este arranjo é particularmente eficaz para uma disposição em paralelo de elementos de TXES (para condições de operação de alto fluxo), onde os gases de exaustão são divididos e direcionados para uma pluralidade de elementos de TXES de forma simultânea. O coletor pode ter a sua entrada controlada por uma válvula/registro controlado pelo controlador de processamento, o qual irá ativar/desativar simultaneamente a entrada de calor para um ou mais elementos de TXES conectados ao coletor.

[0074] A conexão dos topos do coletor de fluido de trabalho ao elemento de TXES pode ser feita de uma variedade de maneiras, mas o custo é uma consideração importante. Como tal, uma solda orbital emenda de topo pode ser de custo compensador, mas pode requerer alinhamento de tolerância restrita e comprimento correspondente entre as extremidades do tubo e topos do coletor para uma solda.

[0075] Outra opção é uma característica de encaixe onde os tamanhos de tubo entre os topos do coletor e as extremidades dos tubos têm tamanhos de diâmetro interno e externo que permitem que um tubo deslize dentro do outro com tolerância apropriada para permitir uma operação de exsudação ou solda para criar a junta hermética. Outra opção é encaixes por compressão. Alternativamente, tubos ou mangueiras flexíveis ou maleáveis podem ser usados para acoplar o coletor ao elemento de TXES embutido no processo de tubos e combustão de fluido.

[0076] Alternativamente, vários elementos de TXES podem ser dispostos em paralelo dentro de uma câmara (“plenum”) comum de modo que os gases da fonte de calor fluindo através da câmara devem passar através de um ou mais elementos de TXES. Cada elemento de TXES pode ter um registro(s) individual(ais) para controlar a sua entrada de calor a partir da câmara.

[0077] Conforme aqui descrito, o fluido de trabalho configurável flui (e a fonte de gás/calor de exaustão) proporcionando uma grande flexibilidade na operação da disposição de TXES. Em algumas concretizações, algumas das tubulações/válvulas podem ser expandidas (por adição de tubulações/válvulas) para prover possibilidades de fluxo adicionais, ou podem ser restritas (substituindo valores controlados do controlador de processamento e tubos de fluxo alternativo com valores manuais e/ou tubulação estática). O exemplo de arranjo da Figura 4 é provido como uma demonstração para ilustrar a flexibilidade da disposição de TXES. Em um primeiro exemplo de concretização, demonstrando o fluxo de fluido paralelo, um fluido de processamento entra na entrada do coletor 410, onde ele flui através das válvulas 420a, 420b, 420c e 420d, através da tubulação e dentro de elementos de TXES 440a, 440b, 440c e 440d, onde é aquecido e em seguida flui para fora através das válvulas 475a, 475b, 475c, 475d e para o coletor de saída 490. Todas as outras válvulas 465, 460, 470, 480 estão fechadas. Em um segundo exemplo de concretização, demostrando fluxos de fluido em série, um fluido de processamento entra no coletor de entrada 410, onde ele flui através da válvula aberta 420a ao elemento de TXES 440A. Após ser aquecido no elemento de TXES 440a, o fluido de processamento escoa para fora, onde é bloqueado pela válvula 475a fechada. Os fluxos de fluido para a válvula 480a (a qual está aberta, e 420d está fechada), no lado de entrada do elemento de TXES 440d onde é aquecido um pouco mais e, em seguida, passado fora a saída de coletor 490 via válvula aberta 460d. Em um terceiro exemplo, demonstrando percursos de fluxo alternativos onde o fluxo do fluido de processamento é dividido à medida que flui entre os elementos de TXES na disposição, um fluido de processamento entra no coletor de entrada 410, onde ele flui através da válvula aberta 420a para o elemento de TXES 440a. Após de ser aquecido no elemento de TXES 440a, o fluido de processamento escoa para fora, onde é bloqueado pela válvula fechada 475a. Os fluxos de fluido para a válvula 470a e 480a (que estão abertas, e 420c e 420d estão fechadas), no lado da entrada dos elementos de TXES 440c e 440d, e então passados para fora na saída de coletor 490 através da válvula aberta 475c e 475d. Outras combinações de percursos de fluxo, em série, em paralelo e combinações de série e paralelo são possíveis por meio da abertura e fechamento das válvulas apropriadas 420, 460, 465, 470 e 480.

[0078] Uma vantagem da concepção da disposição de TXES é que existem muitos lugares que os percursos de admissão e de descarga de ambos os gases da fonte de calor e fluidos de trabalho podem ser alterados dinamicamente pelas válvulas controladas do controlador de processamento a fim de contornar os elementos individuais de uma disposição de TXES. Determinando quando um desvio de um elemento de TXES particular é realizado pelo controlador de processamento em resposta ao seu programa de controle, o qual faz com que a decisão, em parte, com base nas leituras do sensor de temperatura e pressão das fontes de calor de entrada, as características do elemento de TXES (por exemplo, os seus coeficientes de transferência térmica em cada um dos seus percursos do fluxo) o estado de funcionamento atual do elemento de TXES (por exemplo, a sua temperatura atual e perfil de temperatura) e as características dos subsistemas do motor térmico (tais como a temperatura de funcionamento, fluidos de trabalho, pressões de funcionamento) e os vários modos de operação que podem ser antecipados no futuro.

[0079] Existe uma variedade de variáveis, muitas vezes altamente acopladas em conjunto que determinam as faixas de funcionamento e estas poderiam afetar a configuração do TXES ou o funcionamento do TXES conforme variam as condições de funcionamento. A faixa de pressão de funcionamento, ou relação em processos como Rankine, determina a faixa ou relação de temperatura. A pressão também define a temperatura de ebulição (ou mais genericamente para pressões supercríticas) a quantidade de entalpia necessária para alterar uma massa do fluido. Muitas vezes, uma grande fração do calor absorvido pelo fluido está em ou próximo dessa temperatura de ebulição ou quase ebulição. Este é um fator poderoso sobre o comportamento de um TXES. Assim, por exemplo, alterando a pressão do fluido trabalho se altera a temperatura à qual o fluido de trabalho absorve ou fornece calor para o TXES.

[0080] A temperatura de pico também é importante conforme determina a entalpia máxima disponível para uma expansão ou fornecimento a partir de um processo de compressão (por exemplo, bomba térmica). Como observado, a relação de pressão disponível através do compressor ou expansor determina a mudança de temperatura para um fluido específico. Um objetivo comum em motores térmicos como Rankine é para maximizar a troca de entalpia entre a máquina (expansor) em relação a entrada de calor total. Em uma bomba térmica, um objetivo comum é o oposto, minimizar a entalpia da máquina (compressão) para o calor total fornecido à pressão mais elevada. Em um sistema de armazenamento de energia do motor térmico/bomba térmica, estas considerações contrárias se cancelam, de certa forma, em um caso ideal. Como a maioria dos sistemas, considerações pragmáticas incluem considerações de custo e eficiência do mundo real. Para a concepção de TXES, existem os fatores de custo associado por unidade de energia armazenada, bem como as diferenças de temperatura mínimas alcançáveis entre os fluidos e os meios de armazenamento como discutido em outro local. Um sistema de controle de fluxo que permite que o sistema variar as temperaturas, pressão, taxas de fluxo de massa e fluidos aumenta o valor para o sistema que o TXES suporta uma vasta variedade de possíveis sistemas.

[0081] A Figura 15 é uma tabela ilustrando algumas das vastas combinações de temperaturas e pressão que diferentes fluidos operam de forma eficaz. Existem também misturas de fluidos que pode variar infinitamente as propriedades por simplesmente alterar as quantidades relativas de diferentes compostos a serem utilizados em um processo. Figura 15

[0082] Muitos sistemas de motor térmico trabalham com sistemas de multi-estágio. Em sistemas como Rankine, outra técnica interessante é o ciclo de reaquecimento que pressuriza o fluido de uma vez onde ele é cozido e superaquecido, expandido e , em seguida, reaquecido na fase gasosa e depois expandido novamente. Estes sistemas têm geralmente pressões mais elevadas, uma vez que existe mais entalpia total fornecida e extraída e isso requer uma relação de pressão mais elevada. As pressões mais elevadas podem muitas vezes conduzir ao fluido sendo supercrítico, que é onde não existe mais uma temperatura fixada na qual ocorre o processo de ebulição. Para sistemas de troca e TXES de calor sensível, é útil que se evite a temperatura fixada na qual grandes quantidades de entalpia é trocada.

[0083] Uma vez que existem dois processos de aquecimento para o modo de motor existe flexibilidade na qual aqueles dois ou mais ou mais processos de aquecimento estão dispostos em relação ao fornecimento de calor. Uma vez que o(s) processo(s) de reaquecimento não tem um processo de absorção de calor latente, que tende a estar na seção de fornecimento de calor mais quente. Outra técnica é simplesmente executar dois ou mais processos com fluidos diferentes ou comuns em uma disposição de elementos de TXES. Ao contrário aos ciclos de reaquecimento, as pressões em cada processo podem ser adaptadas de forma independente e, portanto, podem oferecer a seleção de pressões para ajudar com o desafio de captura de calor no ponto de congestionamento.

[0084] Conforme acima mencionado, uma variável chave é o ponto de ebulição ou quase ebulição que varia significativamente com a pressão para TXES funcionando como um trocador de calor entre dois fluidos (tipicamente um gás de exaustão ou fluxo de calor residual e um fluído de trabalho de captura de calor). Isto é bem conhecido para os técnicos no assunto destas concepções como uma análise de ponto de congestionamento. Isto é um processo de maximizar a captura de calor a partir do fluxo de calor residual e ainda pragmaticamente encontrando um sistema global que é rentável o suficiente para implantação econômica.

[0085] A flexibilidade oferecida pelas passagens de fluxo múltiplas e os blocos modulares proporcionam uma seleção de valores a partir da operação de maior eficiência, o armazenamento de energia para o fornecimento quando a entrega é necessária independente do fornecimento de calor, a capacidade para simplesmente executar o aparelho no sentido inverso e colocar calor de volta para o sistema com o trabalho, reduzir o custo de captação de calor devido ao custo compensador das concepções de tubulação discutidas em outro lugar, variando em quais temperaturas o calor é adicionado ou extraído a partir do TXES alterando uma ou mais destas variáveis, conduzindo a melhoramentos ao custo compensador para os TXES.

[0086] As figuras seguintes representam arranjos de elementos de TXES com características inovadoras em torno da construção e o desempenho resultante. Enquanto as figuras de 5 a 12 descrevem detalhes de implementação para várias concretizações, alguns aspectos gerais de elementos de TXES fornecem benefícios sozinhos e em combinação. Estes incluem configuração/forma do elemento, materiais da disposição e as configurações de tubulação de fluido de trabalho.

[0087] Cada elemento de TXES é construído usando a concepção modular e pode assumir diferentes formas e tamanhos com base nos requisitos para a implementação. Os elementos de TXES podem ter diversas faixas de tamanho dependendo das características do fluxo de calor desejadas. Os elementos de TXES são projetados para a construção modular rápida e fácil transportabilidade. Um número de características e elementos de concepção está incluído para facilitar este processo. Por exemplo, os elementos de TXES utilizam comprimentos fáceis para transportar por semirreboques e pesos dos elementos são fáceis para operações de içamento do guindaste. As seções de elementos de TXES precisam de resistência à flexão suficiente para permitir a remoção a partir da moldagem/preparação a um caminhão e, em seguida, a partir do caminhão para ser empilhadas, mas não precisam de resistência estrutural adicional para funcionar. Em alguns casos, os membros de tensionamento de aço (por exemplo, vergalhão) ou aço de reforço são utilizados para reforçar o elemento de TXES. Estes elementos são utilizados para o içamento e o transporte de elementos de TXES cuja concepção de cargas pode, de outra forma, colocar o concreto de um elemento de TXES em tensão. Um elemento de TXES é tipicamente de dois a quinze metros no comprimento, é aproximadamente quadrado ou retilíneo na seção transversal e tem os lados da dimensão de 0,2 m a 2,5 m. A massa de um elemento de TXES pode ser cerca de 6000 kg, embora a aplicação pudesse variar o tamanho de cerca de 100 a 18.000 kg.

[0088] A concepção modular de elementos de TXES permite a moldagem ou, de outro modo, preparando segmentos do sistema geral, de tal modo que, muitos dos segmentos podem ser empilhados em paralelo e também colocados em série. Os arranjos em série permitem percursos mais longos para a entrada da fonte de calor e fluidos de trabalho, permitindo assim que mais do calor a ser extraído a partir da fonte de calor, armazenado em um ou mais de elementos de TXES e então extraído no fluido de trabalho de um subsistema de motor térmico otimizado para a características específicas do calor sendo extraído. Parte da otimização do elemento na concepção da disposição de TXES é a criação de elementos de TXES com diferentes características definidas. Por exemplo, um primeiro elemento de TXES pode ser criado com uma pluralidade de passagens de fluido de trabalho, cada percurso tendo a capacidade de aumentar a temperatura de um fluido de trabalho por até 70 graus C a uma taxa de fluxo de 50 litros/hora. Um segundo elemento de TXES pode ser criado, que tem uma capacidade de elevar a temperatura de um fluido de trabalho por 300 graus C a uma taxa de fluxo de 100 litros/hora.

[0089] Do mesmo modo, elementos de TXES podem ser construídos de modo que possam aceitar entradas de calor de trabalho 100, 300, 500, ou mesmo 1.000 graus C e, de forma efetiva, capturar o calor no interior do elemento de TXES. Além disso, os elementos de TXES podem ser construídos para operarem com pressões diferentes, taxas de fluxo e características da fonte de calor. Em um exemplo de concretização, um primeiro elemento de TXES pode ter passagens do condutor de exaustão suficientes para passar a 300 pés cúbicos por minuto de gases da fonte de calor, enquanto um segundo elemento de TXES pode ter passagens do condutor de exaustão que passam apenas 150 pés cúbicos por minuto de gases da fonte de calor. Um terceiro exemplo de elemento de TXES pode operar a 3 psi de pressão, enquanto outro elemento de TXES pode ser concebido para permitir o fluxo livre (por exemplo, sem despressurizado) de gases da fonte de calor.

[0090] Tipicamente, o elemento de TXES compreende elementos estruturais, meio de armazenagem térmica (compreendendo tipicamente uma disposição e enchimento), um ou mais percursos de fluido de trabalho e um ou mais percursos de fonte de calor, chamados de combustão. A resistência estrutural pode ser provida pelos elementos estruturais expressamente tais como vergalhões ou pode ser integral a outros componentes do elemento, tal como a própria disposição.

[0091] Características da moldagem dentro dos elementos de TXES para permitir o içamento fácil e colocação em pilhas em um caminhão ou no final de instalação são úteis para poupar trabalho durante esses processos. Outra característica valiosa associada com elemento de TXES de içamento e movimentação são entalhes rasos na parte inferior e nos lados que permitem levantar correias para ser usados para levantar e colocar os elementos de TXES enquanto sendo facilmente removidos e não impedindo o empilhamento próximo dos elementos de TXES (não mostrado).

[0092] Alternativamente, os pontos de içamento podem ser fundidos nos elementos de TXES na forma onde as tensões locais mais elevadas das cargas de içamento são espalhadas dentro do elemento de TXES sobre a área suficiente para manter níveis aceitáveis de carga através do elemento de TXES. De um modo geral, as características de içamento são fundidas de modo a não sobressair acima do plano de empilhamento normal para o elemento de TXES que geralmente será colocado acima deste. De forma alternativa, o acessório de içamento utiliza uma característica que pode estender-se acima do plano de empilhamento que é removível, ou uma característica de encaixe é colocada na parte inferior dos elementos de TXES, em geral para permitir que o recurso de protrusão içamento para não interferir com o empilhamento justo.

[0093] O material da disposição de cada elemento de TXES é o material que armazena o calor extraído a partir dos gases de exaustão ou fluidos de trabalho quente. A disposição preenche espaços vazios entre as passagens de transferência de calor e tubulação de fluido de trabalho que melhora a condutividade e resistência do material.

[0094] Um material da disposição preferido é um concreto ou disposição semelhante ao concreto compreendendo um ou mais tipos de agregado em um material de ligação (tal como cimento Portland). Deve ser notado que a alta resistência da disposição não é necessária, portanto, de modo que são preferidas as variações dos materiais da disposição que produzem uma maior capacidade de armazenamento térmico (muitas vezes à custa da resistência reduzida).

[0095] Misturas de concreto à base de cimento Portland convencional podem ser utilizadas em alguns elementos de TXES, sujeitas a processos de cura especiais a fim de secar completamente a disposição a fim de evitar fissuras quando o elemento de TXES é aquecido. As misturas de concreto à base de cimento Portland podem requerer proteção, quer na forma de um preventivo da corrosão, ou pelo revestimento dos tubos combustão, a partir dos efeitos ácidos de alguns fluxos de exaustão (tais como, gases de combustão ricos em enxofre).

[0096] Cimentos de alta temperatura podem ser utilizados, onde os elementos de TXES são sujeitos a aquecimento substancial ou ciclos de aquecimento/arrefecimento continuados. Misturas de cimentos de alta temperatura e convencionais são também possíveis. Geo polímero ou outros materiais com propriedades pozolânicas como cinzas volantes podem aumentar ou substituir outros ingredientes ligantes como o cimento Portland.

[0097] Os agregados utilizados no cimento são selecionados, em parte, devido ao tamanho do agregado, como alguma tubulação de fluido de processamento do elemento de TXES e configurações do tubo de combustão limitam o tamanho do agregado que pode ser utilizado. Os experimentos têm demonstrado que o tamanho agregado máximo ideal que pode ser utilizado é uma metade da distância inter-espiral de qualquer tubulação de fluido de processamento enrolada incorporada (ver abaixo) a fim de minimizar quaisquer espaços vazios dentro da disposição. Em conjunto com os agregados, aditivos aumentando a condução podem ser adicionados à mistura da disposição. Estes aditivos podem incluir: limalhas de metal, metais que são compatíveis com concreto, como o aço e não como o alumínio, fios metálicos, na forma de uma malha, como tela de arame, que para um desempenho ideal pode ser orientado geralmente de modo ortogonal para o gradiente de temperatura axial dos TXES, e/ou partículas de grafite ou de carbono, fibras ou filamentos.

[0098] Existem várias abordagens para a integração de materiais de mudança de fase em um elemento de TXES: 1. Uso de tubos para o fluido de entrada de calor e fluidos de trabalho de processamento e imergir os tubos em um recipiente cheio de material de mudança de fase. 2. Ter seções de um elemento de TXES que contêm o material de mudança de fase (por exemplo, onde o material de mudança de fase é fechado pelo concreto e/ou outras características de contenção, tal como, um recipiente embutido na disposição). Desta maneira, o material de mudança de fase pode ser localizado no processamento onde ocorre a mudança de fase de fluido de trabalho (em geral mais próximo da extremidade mais fria do processamento do contra fluxo).

[0099] Percursos de combustão são fundidos como parte de cada elemento de TXES, tanto embutidos como parte do elemento de TXES (por exemplo, tubos de combustão) ou como parte da forma do elemento de TXES (por exemplo, canais de combustão). Os tubos de combustão podem ser construídos de qualquer material de tubulação suficiente para suportar a entrada de calor, por exemplo, aço, aço inoxidável, cerâmica, plásticos, ou tubos feitos de outros metais especiais. A forma das passagens de combustão pode ser alterada, na seção transversal (por exemplo, circular, oval) ou no percurso (por exemplo, linear, helicoidal) a fim de conseguir a transferência de calor desejada entre a combustão e os materiais do elemento de TXES.

[0100] Em aplicações onde o fornecimento de calor é em baixa pressão, existe mais flexibilidade para a construção de elementos de combustão. O aço é um material comum de baixo custo e que é compatível com materiais da disposição à base de concreto. Note que a forma do percurso de aço da combustão não tem de ser redonda, uma vez que tem pouca pressão sobre ela e outras formas podem empacotar dentro da seção transversal do elemento de TXES melhor do que os outros ou aumentar a relação da área de superfície por unidade de comprimento do elemento de TXES total ou pelo comprimento dos tubos de fluido de trabalho.

[0101] Durante a moldagem do elemento de TXES, um material de sacrifício pode ser utilizado para formar tubos e canais no elemento de TXES. A função do material de sacrifício é o de criar a cavidade na matriz durante o processo de moldagem por meio de processos conhecidos para os técnicos no assunto.

[0102] Adicionalmente, a resistência à corrosão pode ser adicionada a qualquer um destes materiais de percurso através do revestimento da característica da forma base com um revestimento. Para formas que serão removidas, o revestimento é preferivelmente colocado na parte externa da forma de modo que o revestimento permanece anexado ao concreto. Exemplos de revestimentos que poderiam ser benéficos incluem misturas de concreto especiais com resistência mais elevada ao ácido ou menos porosidade (por exemplo, concreto a base de geo polímero), películas termoplásticas com resistência à temperatura suficiente, uma camada fina de silicone, ou cerâmica de sílica. O material resistente irá confrontar o fluido no percurso. Este material de revestimento pode ser pré-fabricado e colocado na forma de moldagem do elemento, particularmente, quando o revestimento tem uma resistência suficiente para reter uma forma adequada durante o processo de moldagem. Ou se a montagem do revestimento precisar de suporte, um suporte removível ou de sacrifício pode ser usado para reter adequadamente a forma durante a moldagem. Este revestimento menos poroso ou resistente à corrosão pode ser aplicado para a característica da forma de várias maneiras: revestimento por pulverização, moldagem por mergulho, barbotina e outros.

[0103] As Figuras 5a, 5b e 5c ilustram concretizações de elementos de TXES com tubos de combustão dentro do elemento de TXES para o fluido da fonte aquecido (em adição aos tubos de fluido de trabalho), onde o calor é transferido para ou a partir de um fluido para a parede do tubo, onde a matriz de armazenamento térmico, em seguida, conduz o calor para longe ou para o tubo. A Figura 5a ilustra um exemplo do arranjo do elemento de TXES compreendendo a disposição 510, uma pluralidade de tubos de combustão 520 e uma pluralidade de tubos helicoidais de fluido de trabalho 530 embutidos na disposição. A Figura 5b ilustra uma variante do elemento de TXES hexagonal (vista extrema) com um acessório de içamento integrado. A Figura 5c ilustra um elemento de TXES retangular (vista extrema) com a disposição, uma pluralidade de tubos de combustão e uma pluralidade de tubos de trabalho helicoidais intercalados com um acessório de içamento integrado com um anel de içamento removível. Outras formas de pontos de içamento podem ser incluídas sem se desviar do espírito da invenção. Uma consideração de otimização é a distância entre o tubo de combustão e tubos de fluido de trabalho, bem como a forma como o material da disposição é disperso uniformemente em relação àquelas passagens convectivas. Além disso, o número e arranjo dos tubos de combustão e tubos de fluido de trabalho helicoidais podem variar sem se afastar da natureza da invenção.

[0104] Em um segundo exemplo da concretização, os elementos de TXES podem ser formados de modo que o fornecimento de calor está em contato direto com a disposição de armazenagem térmica. Dois desses arranjos são descritos, muitas outras configurações possíveis podem ser utilizadas sem nos afastarmos do escopo da invenção. A Figura 6 ilustra um exemplo de concretização quando o elemento de TXES é formado com bordas com recortes ou outras características externas nos elementos de TXES que têm lados, paredes geralmente regulares (por exemplo, ortogonais ou hexagonais). Na Figura 6, o arranjo do elemento de TXES compreende a disposição 600, quatro canais de combustão fundidos com borda com recorte 610, e quatro tubos de fluido de trabalho helicoidais 620. Outras características, tais como os pontos de içamento integrados, não são mostradas para maior clareza. O número e arranjo das bordas com recortes e tubos de fluido de trabalho helicoidais podem variar sem se afastar da natureza da invenção.

[0105] Algumas das características interessantes neste projeto incluem o recorte dos cantos que podem ter pelo menos dois benefícios. Nestes são possíveis passagens para o percurso de transferência de calor dos gases de exaustão e que também remove algum do concreto que está mais afastado das espiras. Uma distância mais uniforme para o concreto para as espiras ajudarem a minimizar a diferença de temperatura média do concreto (comparada com o fluido de trabalho) aumentos que são termodinamicamente menos desejável. Os lados “regulares” permitem o empilhamento dos elementos de TXES enquanto as bordas com recortes proporcionam um percurso para o fluido aquecido a partir de uma fonte de calor (gás de exaustão, líquido de arrefecimento no revestimento ou mesmo óleo) para passar sobre estas características na pilha de elementos de TXES em uma disposição de TXES, como mostrado na Figura 7. A Figura 7 ilustra nove elementos de TXES fundidos com borda com recorte 710, com bordas com recortes 720 e tubos de fluido de trabalho helicoidais 740 empilhados em um arranjo 3x3 e ilustrando as passagens de exaustão 730 formadas pela forma da borda recortada.

[0106] O uso dos tubos de fluido de trabalho de processamento embutidos na disposição de um elemento de TXES atua em um recipiente sob pressão para o fluido de trabalho pressurizado e, adicionalmente, forma uma superfície de transferência de calor. Uma mola helicoidal ou em espiral estende o comprimento do percurso de fluxo e aumenta a quantidade de calor transferido por elemento de TXES. Aqui, helicoidal é utilizado para significar qualquer arranjo de espira, incluindo hélices, espiras ou espiras de geometria relacionada. O diâmetro do tubo, bem como o diâmetro da espira helicoidal, seu passo (por exemplo, espiras por metro), e o comprimento do tubo dentro de cada elemento de TXES podem ser variados para produzir uma tubulação de fluido de trabalho de processamento otimizada para um fluido de trabalho específico, pressões de funcionamento, faixa de temperatura de funcionamento e coeficientes de transferência de calor da disposição de TXES. Uma pluralidade de tubos de fluido de trabalho pode ser usada, como descrito abaixo. Os tubos estruturados helicoidais ter o efeito de: 1. Aumentando a área de superfície do fluido de trabalho para a massa térmica (as superfícies do próprio tubo, as quais são ajustadas com base no diâmetro do tubo de fluido de trabalho). 2. Aumentando o comprimento do percurso sobre o qual a transferência de calor pode ocorrer. Uma vez que o objetivo do processamento do fluido de trabalho é obter quase todo o calor fora do fluido durante um processo de carregamento mecânico ou para vaporizar e, em seguida, sobreaquecer o fluido até perto da temperatura total da extremidade quente do material de armazenamento, pequenas diferenças de temperatura entre o material de armazenamento de calor e o fluido de trabalho são desejadas. No entanto, pequenas diferenças de temperatura entre o fluido de trabalho e o material de armazenamento sólido resultam em baixas taxas de transferência de calor e, assim, uma distância mais longa e mais área de superfície é necessária para conseguir a transferência de calor completa para ou a partir do fluido de trabalho. 3. Comprimento disponível mais longo significa que o fluxo de transferência de calor (W/m2) pode ser mais baixo e isso minimiza a perda de eficiência sistémica devido as diferenças de temperatura mais elevadas entre o fluido de trabalho e o material de armazenamento (por exemplo, o concreto). Fluxos de calor menores significam, de forma produtiva, o gradiente de temperatura inferior no material de armazenamento de calor. 4. O aumento do comprimento total da função de transferência de calor quando da fabricação na qual o processo de transição de calor é fisicamente o movimento dentro do TXES conforme o TXES se aquece ou se arrefece. Por isso, é desejável que o comprimento da zona de transferência de calor seja relativamente curto em relação ao comprimento total disponível uma vez que a maioria do armazenamento de calor de alta qualidade está na extremidade quente do armazenamento no lado quente da zona de transferência de calor. 5. Expondo mais da disposição do elemento de TXES disponível para o armazenamento de calor.

[0107] Cada um destes fatores pode ser considerado quando se calcula um coeficiente de transferência térmica para um percurso de fluido dentro de um elemento de TXES. Um coeficiente de transferência térmica é uma métrica que descreve a capacidade global do percurso para transferir calor entre a disposição do elemento de TSEX e um fluido de trabalho. Coeficientes de transferência térmica e sua utilização na determinação ideal dos comprimentos dos percursos de fluido encontram-se descritos abaixo.

[0108] A flexibilidade definida nos percursos de fluido da fonte e de trabalho na disposição de TXES permite a seleção (e criação) de passagens de fluido com diferentes coeficientes de transferência térmica. Cada percurso através de um elemento de TXES tem um coeficiente de transferência térmica definido, com base no gradiente de temperatura atual e a temperatura no elemento de TXES, o fluido de trabalho, sua temperatura e pressão e características do percurso (comprimento, diâmetro do material (por exemplo, a área de transferência)). Os coeficientes de transferência térmica, como uma função das características do fluido de trabalho para cada percurso em um elemento de TXES, podem ser computados e/ou medidos antes do elemento de TXES ser implantado em uma disposição de TXES e estes coeficientes podem ser armazenados em uma memória do controlador de processamento. Note que o coeficiente de transferência térmica é independente da temperatura e pressões absolutas envolvidas. Ele proporciona uma métrica pela qual a quantidade de calor que é adicionada ao (subtraída a partir do) fluido de trabalho à medida que este passa através de um elemento de TXES.

[0109] Por exemplo, um primeiro percurso compreendendo um tubo reto através de um elemento de TXES para um fluido de trabalho específico, taxa de fluxo e temperatura (conforme determinada pelos sensores no percurso de fluido de trabalho) e uma temperatura conhecida e arranjo gradiente de temperatura dentro do elemento de TXES (conforme determinado pelos sensores de temperatura no elemento de TXES) pode ser determinado para ter um coeficiente de transferência térmica de 1, enquanto que uma primeira espira helicoidal com um raio de seis polegadas e um passo entre as espiras de 4 polegadas, pode ter um coeficiente de transferência térmica de 100 e um segunda espira helicoidal com um raio de doze polegadas e um passo entre as espiras de 4 polegadas, pode ter um coeficiente de transferência térmica de 200. Assim, um primeiro fluido de trabalho passando através de cada uma destas passagens de fluido irá adquirir 1, 100, ou 200 unidades de energia transferidas para (ou fora do) o fluido de trabalho para uma configuração de calor específica de um elemento de TXES. Para uma configuração de calor diferente do elemento de TXES, as mesmas condições de fluido de trabalho podem adquirir 0,5, 50, ou 100 unidades de energia quando fluindo através de um percurso específica no elemento de TXES. Um fluido de trabalho diferente sob as mesmas condições do elemento de TXES pode ter um coeficiente de transferência térmica de 2,50 e 100 para as três passagens respectivamente. Novamente, esta informação pode ser codificada e armazenada dentro de uma memória do controlador de processamento.

[0110] Quando um percurso de fluido passa através de mais do que uma disposição de TXES e/ou elementos de TXES, o coeficiente de transferência térmica totalizado é a soma dos seus respectivos coeficientes dos elementos de TXES/coeficientes de percurso através do qual o fluido percorre.

[0111] A Figura 8 ilustra um arranjo coaxial de tubos de fluido de processamento helicoidais de passo e dimensões semelhantes embutidos em um elemento de TXES. Dois tubos de processamento helicoidais 810, 820 estão dispostos em torno de um eixo comum 830, com as espiras da hélice estando interconectadas a fim de prover uma área de contato igual ao elemento de TXES aquecido da disposição 890. Note que os tubos de combustão no elemento de TXES estão omitidos do desenho para maior clareza. Sensores de temperatura e de pressão embutidos 860, 870, 880 são usados para detectar a temperatura do elemento de TXES (e, opcionalmente, a pressão do fluido de trabalho em um ou mais dos tubos de fluidos de processamento helicoidais). Elementos de içamento integrados 840, 850 também são ilustrados.

[0112] A Figura 9 ilustra um segundo arranjo coaxial de tubos de fluido de processamento helicoidais 910, 920 de tamanho e passo diferentes embutidos em um elemento de TXES, dispostos em torno de um eixo comum 930. Note que os tubos de combustão no elemento de TXES estão omitidos do desenho para maior clareza. Sensores embutidos 960, 970, 980 e pontos de içamento integrados 940, 950 são também mostrados. As espiras do tubo de fluido de processamento estão abrigadas, proporcionando um primeiro tubo com maior área de superfície e comprimento de tubo e um segundo tubo com menos área de superfície e comprimento de tubo. Estes tubos fornecem, assim, quantidades de transferência térmica entre o elemento de TXES e o fluido de processamento no tubo e cada um poderia ter coeficientes de transferência de calor diferentes. Assim, um fluxo de fluido de processamento pode ser selecionado através do elemento de TXES usando um tubo que tem um percurso de fluido longo (e, portanto, mais transferência térmica e um coeficiente de transferência térmica mais elevada) ou um percurso de fluido mais curto em um tubo diferente (e, portanto, menos transferência térmica e um coeficiente de transferência térmica mais baixo) dependendo da temperatura do elemento de TXES e a quantidade de aquecimento do fluido de processamento desejada. Em outras utilizações, um tubo com um primeiro fluido de trabalho pode ser selecionado para uso se o elemento de TXES está quente, enquanto o segundo tubo pode ser selecionado se o elemento de TXES está mais frio a fim de controlar a quantidade de calor extraído do elemento de TXES quando operando com múltiplos processamentos de motor térmico de fluido. Alternativamente, diferentes fluidos de trabalho podem ser encaminhados através dos diferentes tubos, aumentando ainda o gerenciamento do calor armazenado no elemento de TXES.

[0113] A Figura 10 ilustra um arranjo colinear (isto é, os eixos dos tubos de processamento helicoidais são paralelos) de tubos de fluido de processamento de tamanho e passo semelhantes 1010, 1020 embutidos em um elemento de TXES 1090, com o eixo colinear, mas não coaxial 1030/1035. Note que os tubos de combustão no elemento de TXES estão omitidos do desenho para maior clareza. Sensores integrados 1060, 1070, 1080 e elementos de içamento 1040, 1050 também são mostrados. As espiras de cada hélice do tubo de fluido de trabalho estão interconectadas a fim de prover uma grande área de contato com o material da disposição. Note também que nesta concretização as hélices não estão no mesmo eixo, o que tem o efeito de propagação da área da espira exposta para a disposição (por exemplo, um pouco mais na direção da esquerda para a direita VERSUS um alinhamento coaxial). Espalhando as espiras para fora horizontalmente é uma estratégia para tornar a área de superfície de transferência de calor uniforme em um padrão linear VERSUS um padrão mais concêntrico. Cantos, aquelas seções relativamente mais afastadas da tubulação helicoidal muitas vezes são preferidas para serem evitadas, pois o atraso ou retardo térmico nessas seções relativamente distantes pode diminuir o desempenho. Os padrões concêntricos como na Figura 8 e Figura 9 podem cortar fora os cantos (não mostrado) ou a concepção na Figura 5b cria um padrão de repetição que minimiza o número de cantos por elemento de TXES.

[0114] A figura 11 ilustra um arranjo colinear, não sobreposto, de tubos de fluido de processamento helicoidais 1110, 1120 embutidos em um elemento de TXES 1190. Note que os tubos de combustão no elemento de TXES estão omitidos do desenho para maior clareza. Sensores integrados 1160, 1170, 1180 e elementos de içamento 1140, 1150 também são mostrados. Os tubos de fluido de processamento podem ser de tamanhos e passos de espira diferentes a fim de prover diferentes quantidades de transferência de calor para cada percurso do tubo.

[0115] Cada um dos exemplos acima ilustra um elemento de TXES com dois elementos de tubo de fluido de trabalho helicoidais, com características de tubo e características de espira variáveis. O número de tubos de fluido de trabalho helicoidais, deslocamentos do eixo e a quantidade de intercalação de espira presente em um elemento de TXES podem ser variados sem se afastar do escopo e intenção da invenção, com a ressalva de que o tamanho agregado do elemento de TXES deve ser diminuído conforme o número de tubos são aumentadas, de modo a minimizar os espaços vazios na disposição do elemento de TXES durante a moldagem.

[0116] Frequentemente haverá um padrão comum no centro da tubulação de fluido de trabalho, passagens de fornecimento de calor e, talvez, outras características, como o recorte ou entalhe, que pode ser repetido, mas geralmente fundidos dentro das montagens de muitos destes padrões de subconjunto comum. A redução de custos ou outros valores pode muitas vezes ocorrer ao agregar muitas características semelhantes em uma moldagem maior incluindo, menos trabalho por recurso quando fundindo muitas características juntas, reduzindo o tempo de manuseio das montagens durante o processo de fabricação, bem como durante o projeto de instalação local, seções rígidas para operações de içamento quando o elemento de moldagem é mais grosso, reduzindo reforços internos, permitindo mais coletor do lado de fora do elemento de TXES a ser completado em uma operação de fabricação mais barato e mais controlada VERSUS a montagem no campo, maior alinhamento da tubulação de fluido pressurizado, de forma precisa, com as ferramentas de conformação VERSUS as variações maiores quando do empilhamento de elementos de TXES separados.

[0117] Conforme mencionado acima, o sistema opera preferivelmente em contra fluxo, onde o fluido da fonte aquecido flui em uma direção, aquecendo os elementos de TXES começando na extremidade “quente” e saindo na extremidade “fria” e os fluxos de fluido de trabalho em uma direção oposta (ou contra fluxo), entrando na extremidade fria e saindo na extremidade “quente”. Durante o carregamento (por exemplo, adicionando energia térmica ao elemento de TXES), isto tem o efeito de aumentar a inclinação do gradiente de temperatura dentro do(s) elemento(s) de TXES. A zona de gradiente de calor, que é a parte do elemento de TXES onde a transferência de calor ocorre, principalmente, também se desloca linearmente dentro do elemento de TXES conforme a quantidade de troca térmica se altera. O contra fluxo aumenta a eficácia e o custo de produtividade do sistema pelo escalonamento do gradiente de temperatura ao longo de um elemento de TXES conforme o perfil de temperatura de elemento de TXES se move entre os estados carregados e descarregados. A Figura 12 ilustra três exemplos de gráficos do estado de carga de um elemento de TXES em vários estágios de carga térmica.

[0118] O controlador de processamento monitora a temperatura e a pressão da fonte de calor de entrada, do(s) fluido(s) de trabalho e para cada um dos elementos de TXES compreendendo uma disposição de TXES e ajusta os percursos de fluido e fluxos para otimizar a quantidade de calor retido durante o carregamento, armazenado em um estado carregado e rejeitado em um fluido de trabalho durante a descarga.

[0119] Um benefício da disposição de TXES, quando combinada com a concepção modular dos elementos de TXES e o gerenciamento do fluxo controlado de processamento do sistema, é que os fluxos de calor e fluido de trabalho podem ser otimizados através do sistema a fim de capturar, armazenar e extrair e utilizar uma quantidade máxima de calor a partir do fluxo de calor de entrada. Os mesmos mecanismos (os elementos de TXES utilizados pode ser ajustado para calor e fluidos de trabalho) podem ser utilizados quando o sistema está anexado à saída de uma fábrica de cimento, uma central de energia, ou um processo de recaptura de calor residual industrial.

[0120] Será também reconhecido por um técnico no assunto que embora a invenção tenha sido descrita acima em termos de concretizações preferidas, ela não está limitada a isso. Várias características e aspectos da invenção descritos acima podem ser utilizados individualmente ou em conjunto. Além disso, embora a invenção tenha sido descrita no contexto da sua implementação em um ambiente específico e para aplicações específicas, os técnicos no assunto irão reconhecer que a sua utilidade não está limitada a estes e que a presente invenção pode ser vantajosamente utilizada em qualquer número de ambientes e implementações onde é desejável. Consequentemente, as reivindicações anexas devem ser interpretadas tendo em conta a amplitude e espírito da invenção conforme aqui descrita.

Claims

1. Arranjo de captura, armazenamento e troca de calor térmico, caracterizado pelo fato de compreender: - pelo menos uma disposição (TXES) de armazenamento e troca térmica (125a, 125b) pelo menos uma de cada uma das disposições de TXES (125a, 125b) compreendendo: - uma pluralidade de elementos de TXES (1190), cada uma configurada para receber um fluxo de fluido através de cada um de um fluido da fonte aquecido e um fluido de trabalho, com cada de um da pluralidade de elementos de TXES (1190) provendo uma transferência de energia térmica entre o fluido da fonte aquecido e os elementos de TXES (1190); e - um sistema coletor (410, 490) conectado a pluralidade de elementos de TXES (1190) através da tubulação (260a, 260b) de modo a prover o fluido de trabalho a uma entrada da pluralidade de elementos de TXES (1190) e receber o fluido de trabalho a partir de uma saída da pluralidade de elementos de TXES (1190); - pelo menos um motor térmico (250a, 250b) operável com pelo menos uma disposição de TXES (125a, 125b) para extrair o calor a partir de pelo menos uma disposição de TXES (125a, 125b) e convertê-lo em energia mecânica, cada um de pelo menos um dos motores térmicos (250a, 250b) sendo conectado seletivamente ao sistema coletor (410, 490) de uma respectiva disposição de TXES (125a, 125b) para passar o fluido de trabalho através de um ou mais elementos de TXES (1190) da respectiva disposição de TXES (125a, 125b), de tal modo que ocorra uma transferência de energia térmica entre o fluido de trabalho e um ou mais respectivos elementos de TXES (1190) - um sistema de válvula (420, 460, 465, 470, 480) incluído na tubulação (260a, 260b) conectando o sistema coletor (410, 490) e da pluralidade de elementos de TXES (1190) para controlar um fluxo de massa do fluido de trabalho através da pluralidade de elementos de TXES (1190) de pelo menos um da disposição de TXES (125a, 125b); - uma pluralidade de sensores (230a, 230b, 231a, 231b) montada no arranjo de captura, armazenamento de calor térmico, e arranjo trocador para adquirir pelo menos uma leitura da temperatura e pressão a partir de um ou mais dos fluidos de fonte de calor, a pluralidade de elementos TXES (1190), e o fluido de trabalho; e um controlador de processo (240) configurado para: - identificar os parâmetros de operação ótimos de cada motor térmico (250a, 250b) de pelo menos um motor térmico (250a, 250b); - receber o pelo menos uma leitura da temperatura e pressão a partir da pluralidade de sensores (230a, 230b, 231a, 231b); e - controlar, com base nos parâmetros de operação ótima identificada de cada motor térmico ((250a, 250b) e a recebida pelo menos uma leitura de temperatura e pressão, a operação do sistema de válvula (420, 460, 465, 470, 480) conectada de forma fluida a um motor térmico desejado (250a, 250b) do pelo menos um motor térmico (250a, 250b) para pelo menos um da disposição TXES (125a, 125b) para passar o fluido de trabalho a partir do motor térmico desejado (250a, 250b) através do calor extraído; Sendo que a pluralidade de elementos TXES (1190) compreendem elementos TXES (1190) tendo características de troca térmica e armazenamento térmico diferentes, de modo que as características de troca térmica e armazenamento térmico de pelo menos um dos elementos TXES (1190) sendo diferentes daquelas características de troca térmica e armazenamento térmico de pelo menos um de outros elementos TXES.

2. Arranjo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o controlador de processamento (240) ser configurado para: - controlar seletivamente um fluxo do fluido da fonte aquecido para cada um de pelo menos uma das disposições de TXES (125a, 125b) e para a pluralidade de elementos de TXES (1190) de cada respectivo arranjo de TXES (125a, 125b); e - controlar seletivamente um fluxo de fluido de trabalho de cada respectivo motor térmico (250a, 250b) para cada uma de pelo menos uma das disposições de TXES (125a, 125b) e para a pluralidade de elementos de TXES (1190) de cada respectiva disposição de TXES (125a, 125b).

3. Arranjo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de cada um da pluralidade de elementos de TXES (1190) compreender: - um substrato do material da matriz (510); - um ou mais tubos ou passagens (520) formados ou posicionados no substrato do material da matriz (510) e configurados para receber neles o fluido da fonte aquecido; e - um ou mais tubos de fluido de trabalho (530) posicionados no substrato do material da matriz (510) separados a partir de um ou mais tubos ou passagens (520), o um ou mais de tubos de fluido de trabalho (530) configurado para receber o fluido de trabalho nele a partir do motor térmico (250a, 250b); sendo que a transferência de energia térmica entre o fluido da fonte aquecido e o fluido de trabalho ocorre através do substrato do material da matriz (510).

4. Arranjo, de acordo com a reivindicação 4,3 caracterizado pelo fato de os substratos de material da matriz (510) compreender uma de uma mistura de ligante de cimento e agregado e uma mistura de um ligante e um material de mudança de fase.

5. Arranjo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de um ou mais dos tubos de fluido de trabalho (530) compreender um tubo em forma helicoidal (810, 820) provido no material da matriz.

6. Arranjo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de um ou mais tubos de fluido de trabalho (530) compreender pelo menos um primeiro tubo de fluido de trabalho em forma de helicoidal (810) e um segundo tubo de fluido de trabalho em forma de helicoidal (820), com o primeiro tubo de fluido de trabalho em forma helicoidal (810) e o segundo tubo de fluido de trabalho em forma de helicoidal (820) sendo dispostos em um arranjo entrelaçado, um arranjo encaixado, um arranjo colinear e não axial, ou um arranjo colinear e não sobreposto.

7. Arranjo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de o substrato do material da matriz (510) ser formado dentro de um elemento em forma de bloco, com uma borda com recorte (610, 720) formada em cada um dos cantos do elemento em forma de bloco; e - sendo que as bordas com recortes (610, 720) dos elementos em forma de bloco de uma pluralidade de elementos de TXES (1190) adjacentes em uma respectiva disposição de TXES (125a, 125b) formarem neles, de forma coletiva, uma passagem para receber o fluido da fonte aquecido.

8. Arranjo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de pelo menos uma disposição de TXES (125a, 125b) compreender uma pluralidade de disposição de TXES (125a, 125b) e pelo menos um motor térmico (250a, 250b) compreender uma pluralidade de motores térmicos (250a, 250b) incluindo um primeiro motor térmico (250a) e um segundo motor térmico (250b).

9. Arranjo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de o primeiro motor térmico (250a) ter características diferentes do segundo motor térmico (250b), as características diferentes compreendendo pelo menos uma de um processamento de motor, limite de operação de pressão máxima e uma taxa de fluxo disponível.

10. Arranjo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de o fluido de trabalho do primeiro motor térmico (250a) ser diferente do fluido de trabalho do segundo motor térmico (250b).

11. Arranjo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de pelo menos um motor térmico (250a, 250b) ser adicionalmente operável para prover energia térmica a pelo menos uma disposição de TXES (125a, 125b) através do fluido de trabalho.

12. Arranjo de captura, armazenamento e troca de calor térmico, caracterizado pelo fato de compreender: pelo menos uma disposição (TXES) (125a, 125b) de armazenamento e troca térmica modular, pelo menos cada uma das disposições de TXES (125a, 125b) modulares compreendendo um ou mais elementos de TXES (1190) cada um incluindo: - um substrato do material da matriz (510); um ou mais tubos ou passagens (520) formados ou posicionados no substrato do material da matriz (510) para prover um fluxo de um fluido da fonte aquecido através do elemento de TXES (1190), o fluido da fonte aquecido provido a partir de uma fonte de calor; e um ou mais tubos de fluido de trabalho (530) posicionados no substrato do material da matriz (510) separados a partir de um ou mais tubos ou passagens (520) para prover um fluxo de um fluido de trabalho através do elemento de TXES (1190); um ou mais motores térmicos (250a, 250b) operáveis com pelo menos uma disposição de TXES (125a, 125b) para extrair o calor a partir de pelo menos uma disposição de TXES (125a, 125b) e convertê-lo em energia mecânica, um ou mais motores térmicos (250a, 250b) provendo o fluido de trabalho para pelo menos uma disposição de TXES modular (125a, 125b); um sistema de válvula (420, 460, 465, 470, 480) posicionado na tubulação (260a, 260b) e condutos conectando a fonte de calor a pelo menos uma disposição de TXES modular (125a, 125b) e conectando um ou mais motores térmicos (250a, 250b) a pelo menos uma disposição de TXES modular (125a, 125b), o sistema de válvula (420, 460 465, 470, 480) controlando seletivamente o fluxo do fluido da fonte aquecido para pelo menos uma disposição de TXES modular (125a, 125b) e um ou mais elementos de TXES (1190) da mesma controlando, seletivamente, o fluxo do fluido de trabalho para pelo menos uma disposição de TXES modular (125a, 125b) e um ou mais elementos de TXES (1190) da mesma; uma pluralidade de sensores (230a, 230b, 231a, 231b) disposta no arranjo de captura, armazenamento de calor térmico, e arranjo trocador para adquirir pelo menos uma leitura da temperatura e pressão a partir de um ou mais dos fluidos de fonte de calor, o um ou mais elementos TXES (1190), e o fluido de trabalho; e um controlador de processo (240) configurado para: receber o pelo menos uma leitura da temperatura e pressão a partir da pluralidade de sensores (230a, 230b, 231a, 231b); e - controlar, com base no recebimento de pelo menos uma leitura de temperatura e pressão, a operação do sistema de válvula (420, 460, 465, 470, 480) para ajustar o caminho do fluido e o fluxo do fluido da fonte de calor e o fluido de trabalho, de modo que uma quantidade máxima de calor, a partir do fluido da fonte aquecido é transferida para o arranjo de captura térmica de calor, armazenamento e arranjo trocador; sendo que a pluralidade de sensores (230a, 230b, 231a, 231b) compreende sensores de temperatura embebidos dentro e/ou montados sobre cada um de um ou mais elementos TXES (1190) para medir um perfil térmico e gradiente de temperatura dentro de cada um de um ou mais elementos TXES (1190); e sendo que o controlador de processo (240) controlar a operação do sistema de válvula (420, 460, 465, 470, 480) também com base no perfil térmico e gradiente de temperatura de um ou mais elementos TXES (1190).

13. Arranjo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de pelo menos uma disposição de TXES modular (125a, 125b) compreender uma pluralidade de disposições de TXES modulares (125a, 125b) incluindo pelo menos uma primeira disposição de TXES modular (125a) e uma segunda disposição de TXES modular (125b), as primeira e segunda disposições de TXES modulares (125a, 125b) sendo dispostas em série de tal modo que a primeira disposição de TXES modular (125a) recebe o fluido da fonte aquecido em uma primeira temperatura e a segunda disposição de TXES modular (125b) recebe o fluido da fonte aquecido em uma segunda temperatura.

14. Arranjo, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de um ou mais motores térmicos (250a, 250b) compreender um primeiro motor térmico (250a) e um segundo motor térmico (250b) com os primeiro e segundo motores térmicos (250, 250b) tendo diferentes características operacionais ou diferentes fluidos de trabalho nos mesmos.

15. Arranjo, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de o primeiro motor térmico (250a) estar conectado, de modo fluídico, com a primeira disposição de TXES modular (125a) para prover fluido de trabalho na mesma, e o segundo motor térmico (250b) estar conectado, de modo fluídico, com a segunda disposição de TXES modular (125b) para prover fluido de trabalho na mesma, com o primeiro motor térmico (250a) tendo características operacionais ou um fluido de trabalho apropriado para uso com a primeira disposição de TXES modular (125a) que recebe fluido da fonte aquecido na primeira temperatura e o segundo motor térmico (250b) tendo características operacionais ou um fluido de trabalho apropriado para uso com a segunda disposição de TXES modular (125b) que recebe fluido da fonte aquecido na segunda temperatura.

16. Arranjo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de um ou mais tubos ou passagens de combustão (520) e um ou mais tubos de fluido de trabalho (530) em um respectivo elemento de TXES estarem dispostos de modo que o fluido da fonte aquecido flui através do elemento de TXES a partir de uma extremidade quente para uma extremidade fria do mesmo e o fluido de trabalho flui através do elemento de TXES tanto a partir da extremidade fria para a extremidade quente quando entalpia está sendo adicionada ao fluido de trabalho ou a partir da extremidade quente para a extremidade fria quando o fluido de trabalho está saindo da entalpia.

17. Arranjo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de cada um dos um ou mais tubos de fluido de trabalho (530) em um respectivo elemento de TXES compreender um tubo em forma helicoidal.