BR112020026709A2

BR112020026709A2 - Método e dispositivo para converter energia térmica

Info

Publication number: BR112020026709A2
Application number: BR112020026709-0A
Authority: BR
Inventors: Jean-Edmond Chaix; Patrick Bouchard; Guillaume Le Guen
Original assignee: Hevatech
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2019-06-25
Publication date: 2021-04-13
Also published as: US11891922B2; CA3104864A1; EP3814611B1; EP3814611C0; FR3083261A1; US20210222590A1; EP3814611A1; WO2020002818A1; FR3083261B1; AU2019292987A1; AU2019292987B2

Abstract

método e dispositivo para converter energia térmica, mais especificamente, essa invenção diz respeito particularmente a um método melhorado para converter energia térmica em energia mecânica, e então, preferivelmente, em eletricidade e/ou em energia de refrigeração. a melhoria desejada consiste, em particular, na melhoria da eficiência energética. a fim de conseguir isso, pelo menos uma corrente pelo menos parcialmente líquida fc0 de fluido fc é implementada; energia térmica a ser convertida é transferida para a corrente fc0; a corrente aquecida fc0 é pulverizada a fim de gerar uma corrente fragmentada fc1 de fluido fc. ao mesmo tempo, pelo menos uma corrente no geral pelo menos parcialmente líquida ft0 de fluido ft é implementada; energia térmica a ser convertida é transferida para a corrente ft0 de fluido ft a fim de gerar pelo menos uma corrente ft que pode ser na forma líquida ou na forma de uma mistura de líquido/vapor saturado, a titulação de vapor da qual pode variar de 0% a 100%, ou certamente na forma de vapor superaquecido; a corrente f1 é expandida em pelo menos uma câmara também que recebe a corrente fragmentada fc1 de fluido fc, a fim de formar uma corrente mista bifásica fc1/t; a energia cinética dessa corrente acelerada fc1/t é então convertida em energia mecânica; esta opcionalmente sendo transformada em energia elétrica, ou certamente em energia de refrigeração; ft e fc são separados; uma corrente pelo menos parcialmente gasosa ft00 de ft e uma corrente pelo menos parcialmente líquida fc0 de fc são recuperadas; a corrente fc0 de fc é comprimida e sua velocidade de circulação é aumentada; a corrente pelo menos parcialmente gasosa f100 de ft é condensada em uma corrente pelo menos parcialmente líquida ft0 de ft; a corrente ft00 de ft é comprimida e sua velocidade de circulação é aumentada. a invenção também diz respeito a um dispositivo para implementar esse método.

Description

“MÉTODO E DISPOSITIVO PARA CONVERTER ENERGIA TÉRMICA” Campo Técnico

[001] O campo da invenção é o das tecnologias para valorização de calor, em particular, calor residual industrial.

[002] A invenção diz respeito em particular a um método para converter energia térmica em energia mecânica, então, preferivelmente, em energia elétrica e/ou energia de refrigeração.

[003] A invenção também diz respeito a um dispositivo para implementar esse método.

Estado da Técnica – Problema Técnico

[004] Calor residual é o calor secundário proveniente de um processo, e não usado pelo mesmo (fumos, umidade de secagem, escape de motor térmico etc.).

Fontes de calor residual são muito diversas. Essas podem ser locais de geração de energia (usinas nucleares), locais de produção industrial, construções terciárias tais como hospitais, que emitem calor ainda mais em virtude de eles consumirem uma grande parte do mesmo, redes de transporte em um espaço encerrado, ou também locais de disposição de lixo tais como unidades para o tratamento térmico de lixo.

[005] No que diz respeito a calor residual industrial, os setores siderúrgicos, de produtos químicos, cimento, agroalimento ou também de vidro geram vastas quantidades de calor perdido pela liberação na atmosfera.

[006] A título de exemplo, 36% do consumo de combustível da indústria se perdem na forma de calor.

[007] Gases de escape são uma outra fonte de calor residual.

[008] Calor residual representa um recurso de aproximadamente 50% do consumo de energia global, considerando todos os setores conjuntamente.

[009] A diretriz Europeia 2012/27/EU a respeito de eficiência energética exige emissores de calor residual situados próximos a uma rede de aquecimento para realizar uma análise de custo-benefício a fim de investigar as possibilidades de valorização de calor residual. Se a solução for considerada eficaz quanto ao custo, ela tem que ser implementada. Similarmente, todos os projetos de rede de aquecimento têm também que avaliar as várias avenidas potenciais para recuperação de calor residual.

[010] Nesse contexto, o relatório descritivo de patente WO2012089940A2 descreve um dispositivo para converter energia térmica em energia mecânica incluindo: - uma primeira linha de alimentação de fluido; - uma linha de alimentação de fluido de transferência de calor; - um gerador de vapor equipado com: • uma primeira entrada conectada à linha de suprimento do primeiro fluido, o primeiro fluido adotando um primeiro trajeto entre a primeira entrada e uma primeira saída; • uma segunda entrada que recebe o fluido de transferência de calor, o fluido de transferência de calor adotando um segundo trajeto entre a segunda entrada e uma segunda saída, o segundo trajeto sendo diferente do primeiro trajeto, o primeiro trajeto sendo termicamente acoplado ao segundo trajeto, de maneira a formar vapor do primeiro fluido, o referido vapor deixando o gerador por meio da primeira saída; - uma câmara equipada com: • uma primeira entrada conectada à primeira saída do gerador de vapor, o primeiro fluido adotando um primeiro trajeto na câmara entre a primeira entrada e uma primeira saída, a câmara sendo configurada para produzir a expansão isotérmica do primeiro fluido na câmara por meio de uma expansão dividida por meio de uma pluralidade de expansões isotérmicas elementares; • uma segunda entrada conectada à linha de alimentação de fluido de transferência de calor, o fluido de transferência de calor adotando um segundo trajeto diferente do primeiro trajeto entre a segunda entrada e uma segunda saída, a segunda saída da câmara sendo conectada à segunda entrada do gerador de vapor; • o primeiro trajeto sendo termicamente acoplado ao segundo trajeto de maneira a aquecer o primeiro fluido entre cada expansão; - um dispositivo de mistura conectado à primeira saída da câmara e à segunda saída do gerador de vapor e configurado de maneira a misturar o primeiro fluido na forma de vapor com um fluido de transferência de calor a fim de obter uma mistura bifásica.

[011] O fluido de transferência de calor é aquecido por meios de captura de energia solar.

[012] O fluido de transferência de calor é, por exemplo, óleo, enquanto o primeiro fluido é um vapor termodinâmico, por exemplo, água ou uma mistura água/glicerol. Essa mistura bifásica é uma corrente de fluido de transferência de calor na forma de gotículas de óleo e de fluido de trabalho na forma de vapor, a alta temperatura. A energia cinética dessa corrente é convertida em energia mecânica por meio de uma turbina do tipo Pelton, que aciona um alternador elétrico. A mistura óleo/água é recuperada ao deixar a turbina e os 2 fluidos são separados, então reutilizados nessa conversão de energia térmica em energia mecânica, e então em eletricidade.

[013] Nesse método e nesse dispositivo de acordo com WO2012089940A2, o fluido de transferência de calor é aquecido por um concentrador solar e então contribui para a conversão do fluido de trabalho em vapor, então para o reaquecimento do fluido de trabalho entre cada expansão. Esse método e esse dispositivo de acordo com WO2012089940A2 não são especificamente adaptados à conversão da energia térmica proveniente de calor residual, que pode ter uma ampla faixa de temperatura, em energia elétrica. Além disso, o desempenho desse método e dispositivo conhecido pode ser melhorado, em particular em termos de eficiência energética e extensão da faixa da potência elétrica gerada.

Objetivos da Invenção

[014] Nesse contexto, a presente invenção visa satisfazer pelo menos um dos objetivos apresentados a seguir: - um dos objetivos essenciais da presente invenção é prover um método melhorado para converter energia térmica, preferivelmente de calor residual, em energia mecânica, e preferencialmente em energia elétrica e/ou energia de refrigeração, a melhoria esperada consistindo em um aperfeiçoamento da eficiência energética da conversão; - um dos objetivos essenciais da presente invenção é prover um método melhorado para converter energia térmica proveniente de uma fonte de calor residual em energia mecânica, e preferencialmente em energia elétrica e/ou energia de refrigeração, a melhoria esperada consistindo em uma adaptabilidade do método a fontes de calor residual a temperatura da qual varia em uma ampla faixa; - um dos objetivos essenciais da presente invenção é prover um método melhorado para converter energia térmica, preferivelmente de calor residual, em energia mecânica, e preferencialmente em energia elétrica e/ou energia de refrigeração, que é econômico em termos de produção e manutenção; - um dos objetivos essenciais da presente invenção é prover um método melhorado para converter energia térmica, preferivelmente de calor residual, em energia mecânica, e preferencialmente em energia elétrica e/ou energia de refrigeração, que é compatível com restrições ambientais; - um dos objetivos essenciais da presente invenção é prover um dispositivo industrial que é confiável, efetivo, econômico e robusto, para implementar o método apresentando em um dos objetivos supramencionados.

Breve Descrição da Invenção

[015] Esses objetivos, dentre outros, são alcançados pela presente invenção, que diz respeito, basicamente, a um método para converter energia térmica, preferivelmente de calor residual, contida em um fluido pelo menos parcialmente gasoso denominado fluido residual (FF), em energia mecânica, e preferencialmente em energia elétrica e/ou energia de refrigeração.

[016] O referido método utilizando pelo menos um fluido de trabalho FT e pelo menos um fluido de transferência de calor FC, em que: I. uma corrente fc0 de fluido FC, pelo menos parcialmente líquida, é utilizada; II. energia térmica a ser convertida, proveniente do fluido FF, é transferida para a corrente fc0; III. a corrente fc0 aquecida em (II) é pulverizada a fim de gerar uma corrente fragmentada fc1 de fluido FC; IV. em paralelo, uma corrente ft0 de fluido FT, pelo menos parcialmente líquida, é utilizada; V. a então energia térmica a ser convertida, proveniente do fluido FF, é transferida para a corrente ft0 de fluido FT, a fim de gerar uma corrente ft, a temperatura da qual é superior à da corrente ft0, o fluido FT da corrente ft sendo: i. em fase líquida; ii. em fase líquida e em fase vapor; iii. em fase vapor saturada; iv. ou em fase vapor superaquecida; VI. quando necessário, a corrente ft é aquecida para evaporá-la de maneira tal que a titulação de vapor da mesma seja maior ou igual a 0,9, preferivelmente 0,95; VII. a corrente ft é injetada em pelo menos um recipiente que também recebe a corrente fc1 de fluido FC, a fim de formar uma corrente mista bifásica fc1/t; a razão Rd do fluxo de massa do fluido FT para o fluxo de massa total do fluido FC e do fluido FT sendo compreendida entre 1 e 20%, preferivelmente entre 3 e 18%, e ainda mais preferencialmente entre 5 e 15%; VIII. essa corrente fc1/t é então acelerada e expandida; IX. a energia cinética dessa corrente acelerada fc1/t é convertida em energia mecânica; esta sendo opcionalmente convertida em energia elétrica e/ou energia de refrigeração; X. FT por um lado e FC por outro lado são separados; XI. por um lado, uma corrente pelo menos parcialmente gasosa ft00 de FT e, por outro lado, uma corrente pelo menos parcialmente líquida fc0 de FC são recuperadas; XII. a corrente fc0 de FC é comprimida, e a velocidade de circulação da mesma é aumentada; XIII. a corrente pelo menos parcialmente gasosa ft00 de FT é condensada em uma corrente pelo menos parcialmente líquida ft0 de FT; XIV. a corrente ft0 de FT é comprimida, e a velocidade de circulação da mesma é aumentada;

[017] Esse método caracterizado pelo fato de compreender a implementação de pelo menos um laço de circulação FT e pelo menos um laço de circulação FC, esses dois laços tendo em comum: i. pelo menos um Injetor-Misturador-Acelerador (IMA) em que a corrente fc0 e a corrente ft são destinadas a ser injetadas/misturadas/aceleradas; ii. pelo menos um conversor da corrente acelerada fc1/t em energia mecânica;

iii. opcionalmente pelo menos um conversor dessa energia mecânica em energia elétrica e/ou energia de refrigeração; iv. pelo menos um separador de FT e FC; - o laço de circulação FT incluindo pelo menos um trocador de calor entre FT (etapa V, ou VI) e FF, pelo menos um condensador de FT e pelo menos uma bomba para circular FT nesse laço; - o laço de circulação FC incluindo um trocador de calor entre FC (etapa II) e FF, e pelo menos uma bomba para circular FC nesse laço.

[018] Crédito é atribuído aos inventores para conceber a implementação de dois laços de fluido: um de fluido de transferência de calor e um de fluido de trabalho, cada um desses laços incluindo meios para circular o fluido e meios para recuperar calor residual pela troca de calor entre o fluido residual e o fluido de transferência de calor em um dos laços, ou o fluido de trabalho no outro laço.

[019] O método de acordo com a invenção é dessa forma uma técnica de conversão termocinética que é econômica, confiável, eficaz, ambientalmente correta e que tem eficiência melhorada.

[020] Essa melhoria na eficiência da conversão de calor residual em energia mecânica, e preferencialmente em energia elétrica ou de refrigeração, é basicamente obtida pela maximização da recuperação do calor residual disponível por meio de aquecimento, por meio de trocadores de calor na corrente de calor residual, de um fluido de transferência de calor FC que captura as altas temperaturas, complementado pelo aquecimento de um fluido de trabalho FT a fim de capturar as menores temperaturas. Esse dispositivo com dois fluidos possibilita usar praticamente toda a energia térmica valorizável.

[021] Certamente, esse sistema se beneficia de baixos custos de investimento e manutenção.

[022] Sua simplicidade, robustez, tranquilidade relativa, facilidade de instalação e implementação, operação a muito baixa pressão (1-10 bar), segurança, conformidade ambiental (sem pressão nos vasos, sem fluido orgânico), flexibilidade (diversidade de fontes de calor), modularidade (diversos jatos exatamente na mesma turbina), sua alta porcentagem de calor residual valorizado em virtude dos 2 fluidos, o fato de que eles produzem uma fonte fria da ordem de 80°C que permite valorização adicional, seu baixo custo de instalação e rentabilidade financeira são algumas das vantagens do sistema de acordo com a invenção.

[023] Essa otimização da quantidade de calor residual capturado é complementada pela otimização do dispositivo IMA (Injetor- Misturador-Acelerador) para converter energia térmica em energia cinética, obtida por uma razão proporcional adaptado entre o fluido de trabalho FT e o fluido de transferência de calor FC, opcionalmente complementada por uma aceleração do fluido de trabalho FT à montante da mistura do mesmo com o fluido de transferência de calor FC. Dessa forma, o princípio inventivo do método compreende, para a implementação de etapa VII, a escolha de uma razão Rd do fluxo de massa do fluido FT para o fluxo de massa total do fluido FC e do fluido FT compreendida entre 1 e 20%, preferivelmente entre 3 e 18%, e ainda mais preferencialmente entre 5 e 15%.

[024] De acordo com a invenção, a energia térmica a ser convertida é contida em um fluido residual FF, uma porção das calorias do qual é basicamente transferida para FC (etapa II), e uma outra porção das calorias do qual é então transferida para FT para aquecimento da mesma, e preferivelmente para evaporação da mesma (etapas V e VI).

[025] De acordo com uma modalidade benéfica da invenção, a temperatura de FF ao deixar os trocadores de calor n FC e FT pode ser vantajosamente adaptada, antes de FF ser drenado para fora.

[026] De fato, quando FF tiver sido carregado com partículas sólidas, FF é drenado para fora, preferivelmente após ter passado por um tratamento para extração dessas partículas sólidas por filtração, que exige uma máxima temperatura de FF, de maneira a não degradar os filtros

(tipicamente <200°C).

[027] Em virtude do uso de 2 fluidos FT e FC aquecidos diretamente pelo fluido residual FF, a temperatura final do FF é adaptada às restrições de filtração, se houver, antes de ele ser drenado para fora, e/ou a restrições de corrosão, já que é possível dimensionar os trocadores de calor utilizados nesse método de forma ideal e em particular a temperatura de FF ao deixar o trocador FF/FT para aquecer FT.

[028] De acordo com uma possibilidade benéfica da invenção, a temperatura do fluido FF no final das etapas II, V ou VI é compreendida entre 100 e 200°C e ainda mais preferencialmente entre 180°C e 200°C.

[029] Esses valores de temperatura para FF no método aumenta a compatibilidade do mesmo com uma ampla faixa de processos industriais que geram calor residual.

[030] Vantajosamente, durante a etapa VII, injeção da corrente ft do fluido de trabalho FT em um recipiente de injeção do IMA é realizada a uma velocidade compreendida entre 40 e 300 m/s, preferivelmente entre 50 e 150 m/s e ainda mais preferencialmente entre 60 e 100 m/s.

[031] Durante a etapa VIII, a corrente ft é preferivelmente acelerada e expandida em pelo menos uma câmara tendo um perfil adequado, preferivelmente em um bocal de fluxo.

[032] Em uma variante digna de nota, antes da etapa VIII, a corrente ft passa, durante pelo menos uma etapa (VIII°), por uma pré- aceleração pela expansão, preferivelmente quase isotérmica ou politrópica, em pelo menos uma câmara tendo um perfil adequado, preferivelmente em um bocal de fluxo; essa etapa (VIII°) vantajosamente sendo implementada na mesma câmara com perfil adequado que da etapa (VIII).

[033] De acordo com um outro arranjo inovativo do método de acordo com a invenção, FT é um líquido aquoso, preferivelmente selecionado do grupo que compreende - idealmente constituído por - água, glicerol e misturas dos mesmos. Além disso, FC é selecionado de óleos vegetais ou minerais, preferivelmente de óleos que são imiscíveis em água e/ou que têm uma temperatura na qual surge vitrificação que é maior ou igual a 200°C, preferivelmente 300°C, e ainda mais preferencialmente dos óleos vegetais; FC idealmente sendo selecionado do grupo que compreende - idealmente composto de: óleo de rícino e/ou óleo de oliva.

[034] De acordo com uma característica preferida da invenção, o fluido residual FF inicialmente tem uma temperatura maior ou igual a 200°C e preferencialmente maior ou igual a 300°C, e/ou é selecionado de fluidos gasosos e, ainda mais preferencialmente, do grupo que compreende - idealmente composto de: ar quente, vapor, gases de escape de motor, fumos, em particular fumos industriais, calor de chama e calor de secadores, ou dos fluidos líquidos (por exemplo, como é o caso em instalações de concentração solar).

[035] Isso se refere em particular a incineradores de lixo, instalações para a produção de calor de biomassa, indústrias tais como usinas siderúrgicas, usinas de cimento, fábricas de vidro, bem como motores térmicos, em particular geradores de eletricidade.

[036] O método de acordo com a invenção é distinto em que ele implementa pelo menos uma das seguintes características: C1. a pressão operacional Pfc0 (em bar) da corrente fc0 antes da pulverização na etapa III e após a compressão da corrente fc0 de FC na etapa XII é de maneira tal que - em uma ordem crescente de preferência: 3 ≤ Pfc0 ≤ 30; 5 ≤ Pfc0 ≤ 25; 10 ≤ Pfc0 ≤ 15; C2. a pressão operacional Pft (em bar) da corrente ft antes da pulverização durante a etapa VII e após a compressão da corrente ft00 de FC na etapa XIV é de maneira tal que - em uma ordem crescente de preferência: 3 ≤ Pft ≤ 30; 5 ≤ Pft ≤ 25; 10 ≤ Pft ≤ 15; C3. Pfc0 e Pft são idênticas ou diferentes, preferivelmente idênticas; C4. a pressão Pfc1/t da corrente fc1/t após a etapa IX de conversão da energia cinética em energia mecânica, em bar e em uma ordem crescente de preferência, é de maneira tal que: Pfc1/t ≤ 2; 0,3 ≤ Pfc1/t ≤ 1,5; da ordem de 1 bar (pressão atmosférica).

[037] Vantajosamente, o tamanho das gotículas de FC que constituem a corrente fragmentada gerada na etapa (III) é compreendida entre 100 e 600 µm, preferivelmente entre 200 e 400 µm.

[038] Em uma variante efetiva da invenção, é assegurado que a expansão da corrente ft no recipiente do IMA também que recebe a corrente fragmentada fc1 de fluido FC provoca um efeito de aceleração (algumas vezes denominado efeito de bomba de jato) causado por uma corrente de acionamento, a saber, a corrente ft de FT, em uma corrente aspirada, a saber, a corrente fc1 de FC.

[039] Em um outro aspecto da mesma, um objeto da presente invenção é um dispositivo simples e eficaz, em particular para implementar o método de acordo com a invenção, caracterizado em que compreende pelo menos um laço de circulação FT e pelo menos um laço de circulação FC, esses dois laços tendo em comum: i. pelo menos um Injetor-Misturador-Acelerador (IMA) em que a corrente fc0 e a corrente ft são destinadas a ser injetadas/misturadas/aceleradas; ii. pelo menos um conversor da corrente acelerada fc1/t em energia mecânica; iii. opcionalmente pelo menos um conversor dessa energia mecânica em energia elétrica e/ou energia de refrigeração; iv. pelo menos um separador de FT e FC; - o laço de circulação FT incluindo pelo menos um trocador de calor entre FT (etapa V, ou VI) e FF, pelo menos um condensador de FT e pelo menos uma bomba para circular FT nesse laço; - o laço de circulação FC incluindo um trocador de calor entre FC (etapa II) e FF, e pelo menos uma bomba para circular FC nesse laço.

[040] Preferivelmente, o IMA compreende pelo menos um misturador de jato da corrente fragmentada fc0 e a corrente ft na forma de vapor.

[041] A fim de aumentar adicionalmente a energia cinética da corrente que produz movimento mecânico, o IMA vantajosamente compreende pelo menos um bocal de fluxo de aceleração conectado à saída do misturador ou misturadores.

[042] Preferivelmente, o conversor da corrente acelerada fc1/t em energia mecânica é constituído por pelo menos uma turbina, preferivelmente uma turbina de impulso.

[043] Em uma característica benéfica da invenção: - o conversor de energia mecânica em energia elétrica é constituído por pelo menos um alternador e/ou pelo menos um gerador; ou - o conversor de energia mecânica em energia de refrigeração é constituído por pelo menos uma máquina de refrigeração compreendendo pelo menos um compressor incluindo pelo menos um eixo capaz de ser acionado em rotação por uma fonte de energia mecânica.

[044] Por exemplo, esse conversor de energia mecânica em energia de refrigeração é constituído por pelo menos um acionamento direto do eixo do compressor da máquina de refrigeração.

[045] Em uma modalidade, o misturador é um misturador de jato compreendendo: - pelo menos um fragmentador da corrente fc0 na forma de gotículas, o referido fragmentador incluindo pelo menos um jato, preferencialmente diversos, a fim de minimizar as quedas de pressão na corrente fc0; - pelo menos uma câmara para misturar a corrente fc0 após fracionamento e a corrente ft na forma de água e/ou vapor, essa câmara de mistura convergindo na direção das correntes FT e FC; - pelo menos um tubo para admissão de FT na câmara de mistura; - pelo menos uma linha de alimentação para admissão de FC na câmara de mistura; - a câmara de mistura incluindo uma saída colocada no ponto de convergência da mesma, essa saída se abrindo para pelo menos um tubo de aceleração; - o tubo para admissão de FT compreendendo um segmento interno axial com relação à câmara de mistura, esse segmento interno axial sendo equipado com pelo menos um jato de extremidade para descarga de FT, que inclui uma fenda de saída FT colocada nas proximidades da parte de extremidade que tem a menor dimensão da câmara de mistura convergente; -a linha de alimentação para admissão de FC comunicando com uma pluralidade de jatos para descarga de FC que são distribuídos na circunferência do segmento interno axial para admissão de FT, que inclui fendas de saída FC à montante da fenda de saída FT; - o segmento interno axial do tubo para admissão de FT sendo preferivelmente equipado com um elemento de aceleração, vantajosamente formado por um Venturi.

Definições

[046] Na presente descrição, qualquer singular denota singular ou plural.

[047] As definições dadas a seguir a título de exemplo podem servir para a interpretação da presente descrição: - “fluido”: corpo líquido e/ou gasoso; - “fluido residual FF”: fluido que carrega o calor residual destinado a conversão em energia mecânica;

- “fluido de trabalho FT”: fluido pelo menos parcialmente evaporável por meio das calorias de energia térmica a serem convertida e proveniente do fluido residual FF; - “vapor”: estado gasoso do fluido; - “fluido de transferência de calor FC”: fluido líquido capaz de absorver as calorias de energia térmica a serem convertida e provenientes do fluido residual FF, sem passar totalmente para o estado gasoso; - “aproximadamente” ou “substancialmente” significa mais ou menos 10%, ou mais ou menos 5%, com referência à unidade de medição usada; - “compreendida entre Z1 e Z2” significa que um e/ou o outro dos limites Z1, Z2 é incluído, ou não, na faixa [Z1, Z2]; - “imiscível em água” significa em condições de temperatura e pressão que são as do método de acordo com a invenção; -a “temperatura na qual envidraçamento aparece” é a temperatura a partir da qual existe uma mudança nas características de viscosidade do óleo, em particular, um aumento acentuado na viscosidade.

Descrição Detalhada da Invenção

[048] Essa descrição é dada com referência às figuras anexas, em que: -a Figura 1 é um diagrama de blocos do sistema de acordo com a invenção, compreendendo o método com os modos de operação do mesmo e o dispositivo com os elementos constitutivos do mesmo; -a Figura 2A é um diagrama do sistema de acordo com a invenção, mostrando as correntes de fluido de trabalho FT e fluido de transferência de calor FC em diferentes pontos do dispositivo e em diferentes momentos no método; -a Figura 2B é um diagrama de entropia da temperatura T do fluido de trabalho FT em função da entropia S, correspondente ao sistema na

Figura 2A; -a Figura 3A é um diagrama de uma variação de dupla expansão do sistema de acordo com a invenção, mostrando as correntes de fluido de trabalho FT e fluido de transferência de calor FC em diferentes pontos do dispositivo e em diferentes momentos no método; -a Figura 3B é um diagrama de entropia da temperatura T do fluido de trabalho FT em função da entropia S, correspondente ao sistema na Figura 3A; -a Figura 4 é uma vista seccional transversal do Injetor- Misturador-Acelerador (IMA) de acordo com uma primeira modalidade; -a Figura 5 é uma vista seccional transversal parcial diagramática da turbina e do alternador do dispositivo mostrados nas Figuras 1 e 2A.

Método Modo preferido de implementação do método de acordo com a invenção

[049] A Figura 1 em anexo mostra diagramaticamente o princípio e os meios do sistema de acordo com a invenção para converter energia térmica em energia mecânica, e então elétrica.

[050] O bloco 1 simboliza uma fonte de calor residual contido em um fluido residual (FF). Isso pode ser, por exemplo, de um processo industrial que emite fumos (FF).

[051] FF (temperatura T°) é transferida por uma linha de alimentação 2° através de um primeiro trocador 3i, então por uma linha de alimentação 21 (FF a uma temperatura T1) através de um 2o trocador 4i em série com o trocador 3i. Ao deixar o trocador 4i, FF (temperatura T2) é levado por meio de uma linha de alimentação 2² para uma instalação para o tratamento de fumos FF, simbolizado pelo bloco 5. Esse tratamento é, por exemplo, uma filtração realizada por meio de um filtro de saco.

[052] Limpa de pelo menos uma parte dos elementos sólidos, FF é drenado por meio da linha de alimentação 23 para uma chaminé 6, que libera FF no ar ambiente.

[053] O dispositivo simbolizado na Figura 1 adicionalmente inclui um Injetor-Misturador-Acelerador (IMA) 10ii que produz uma corrente mista e acelerada bifásica fc1/t, um conversor 11iii da energia cinética da corrente bifásica mista e acelerada fc1/t em energia mecânica, e um conversor 12iv dessa energia mecânica em energia elétrica. O conversor 11iii é, por exemplo, uma turbina de impulso do tipo Pelton e o conversor 12iv é um gerador elétrico.

[054] De acordo com a invenção, um laço de circulação de fluido FC e um laço de circulação de fluido FT são providos.

[055] O laço FC compreende: -o trocador de calor 3i; - uma linha de alimentação 31 para alimentar FC no trocador 3i; - uma bobina 32, onde calorias são transferidas do FF para FC (por meio de alternativa à bobina, é possível utilizar um trocador que opera de acordo com uma outra tecnologia, por exemplo, tubo de aquecimento, trocador de calor de placas etc.); - uma linha de alimentação 33 para transferir FC do trocador 3i para o IMA 10ii; -o IMA 10ii; -a turbina 11iii; -o gerador 12iv; - um separador de FC e FT compreendendo um vaso 13v e colocado na saída da turbina 11iii; - uma linha de alimentação 34 para recuperar/reciclagem de FC, conectada ao vaso de separação 13v; - uma bomba 35 para circular FC, essa bomba 35 sendo conectada, por um lado, ao vaso de separação 13v pela linha de alimentação 34 e, por outro lado, ao trocador 3i pela linha de alimentação 31.

[056] O laço FT compreende: -o trocador de calor 4i; - uma linha de alimentação 41 para alimentar FT no trocador 4i; - uma bobina 42, onde calorias são transferidas do FF para FC (por meio de alternativa à bobina, é possível utilizar um trocador que opera de acordo com uma outra tecnologia, por exemplo, tubo de aquecimento, trocador de calor de placas etc.); - localização da transferência de calorias de FF para FT; - uma linha de alimentação 43 para transferir FT do trocador 4i para o IMA 10ii; -o IMA 10ii; -a turbina 11iii; -o gerador 12iv; - um separador 13v de FC e FT, na saída da turbina 11iii; - uma linha de alimentação 44 para recuperar/reciclar vapor FT, conectada ao separador 13v; - um condensador 45 de FT; - uma linha de alimentação 46 para coletar líquido FT na saída do condensador 45; - uma bomba 47 para circular FT; - essa bomba 47 sendo conectada, por um lado, ao condensador 45 pela linha de alimentação 46 e, por outro lado, ao trocador 4i pela linha de alimentação 41.

[057] FT é vantajosamente selecionado do grupo que compreende: água, glicerol, e misturas dos mesmos.

[058] FC é vantajosamente selecionado de óleos vegetais ou minerais, imiscíveis em água, por exemplo, óleo de rícino e/ou óleo de oliva.

[059] O fluido residual FF é constituído, por exemplo, por fumos.

Nas Figuras 2A e 2B, FT é, por exemplo, água, rotulada com referências e1 a e6, FC é, por exemplo, óleo de rícino, rotulado com referências h1 a h3, e os fumos FF são rotulados com referências f1 a f3.

[060] Como mostrado na Figuras 2A e 2B, no laço FC, uma corrente líquida fc0 de óleo h1, à temperatura Th1, por exemplo, compreendida entre 200 e 350°C, e a pressão Ph1, é transferida na linha de alimentação 34, em virtude da bomba de óleo 35 para circular fc0, então uma corrente líquida fc0 de óleo h2 a uma pressão Ph2 maior que Ph1 atinge a entrada de óleo do trocador de calor 3i de fumos f1/óleo h2, por meio da linha de alimentação 31.

[061] Os fumos f1 entram no trocador por meio de uma outra entrada, e preferivelmente contra o fluxo da corrente líquida fc0.

[062] A pressão operacional Pfc0 (em bar) da corrente fc0 antes da pulverização na etapa III e após a compressão da corrente fc0 de FC na etapa XII é, por exemplo, compreendida entre 10 e 20 bar.

[063] A corrente fc0 de óleo h3 aquecida na etapa (II) é coletada deixando o trocador 3i por meio da linha de alimentação 33, à temperatura Th3> Th1 & Th2, por exemplo, compreendida entre 200 e 350°C, então entra no IMA 10ii.

[064] A velocidade V da corrente fc0 é, por exemplo, compreendida entre 10 e 20 m/s.

[065] O IMA 10ii compreende um fragmentador que converte essa corrente líquida fc0 de óleo h3 em uma névoa de gotículas h3. O tamanho dessas gotículas é, por exemplo, compreendido entre 200 e 400 µm.

[066] Como mostrado na Figuras 2A e 2B, no laço FT, uma corrente líquida ft0 de água e1, a uma temperatura abaixo da temperatura de condensação Tecond, é transferida na linha de alimentação 46, em virtude da bomba de água 47 para circular ft0, então uma corrente líquida ft0 de água e2, a uma temperatura Te2, por exemplo, compreendida entre 40 e 80°C, abaixo de Tecond, atinge a entrada de água do trocador de calor 4i de fumos f2/água e2, por meio da linha de alimentação 41.

[067] Os fumos f2 provenientes do trocador de calor 3i de fumos f1/óleo h2 entram no trocador 4i por meio de uma outra entrada, e preferivelmente contra o fluxo da corrente líquida ft0.

[068] A pressão operacional Pft (em bar) da corrente ft antes da pulverização na etapa III e após a compressão da corrente ft00 de FC na etapa XIV é, por exemplo, idêntica a Pfc0 e compreendida entre 10 e 20 bar.

[069] A corrente ft de água e3 aquecida na etapa (V) e pelo menos parcialmente constituída por vapor é coletada ao deixar o trocador 4i por meio da linha de alimentação 43, à temperatura Te3> Te1 & Te2, por exemplo, compreendida entre 180 e 250°C, então entra no IMA 10ii.

[070] Te3 vantajosamente corresponde à temperatura de evaporação Tevap do FT, nesse caso, água.

[071] A velocidade V da corrente de vapor ft é, por exemplo, compreendida entre 60 e 100 m/s.

[072] A etapa opcional (VI) de aquecer a corrente ft de água e3, para evaporá-la de maneira tal que a titulação de vapor da mesma seja maior ou igual a 0,9, preferivelmente 0,95, é realizada pelo dimensionamento adequado do trocador 4i.

[073] A parte que é comum aos laços FT e FC, que compreende os elementos do dispositivo IMA 10ii, turbina 11iii, alternador 12iv e separador 13v, é então a localização de: - etapa (III) de pulverizar a corrente fc0 aquecida na etapa (II) a fim de gerar uma corrente fragmentada fc1 de gotículas de fluido FC, nesse caso, óleo; - etapa (VII) de injetar a corrente ft em pelo menos um recipiente também que recebe a corrente fc1 de fluido FC, a fim de formar uma corrente mista bifásica fc1/t e3m; - etapa (VIII) de acelerar e expandira a corrente mista bifásica fc1/t e3m.

[074] Essa aceleração aumenta a velocidade da corrente fc1 mista com a corrente ft de 10 a 20 m/s, para uma velocidade Vfc1/t maior ou igual a 100 m/s, por exemplo, compreendida entre 120 e 140 m/s. Essa corrente mista bifásica fc1/t e3m torna-se a corrente acelerada mista bifásica fc1/t e4.

[075] Durante a etapa (VII) para formar uma corrente mista bifásica fc1/t, os fluxos de massa dos fluidos FT e FC são ajustados de forma que a razão Rd = fluxo de massa de FT/ fluxo de massa de FT & FC = 1 a 20%, por exemplo, 10%.

[076] A Figura 2B, que representa o ciclo descrito pela corrente ft de vapor e3 entre a fonte quente e a fonte fria dos eixos T temperatura e S entropia, mostra que a expansão na etapa (VII) é uma expansão isotérmica até a mistura da corrente ft de vapor e da corrente fragmentada fc1, que causa uma expansão quase isotérmica até a corrente fc1/t e3m.

[077] Isso corresponde à etapa (VIII) de aceleração e expansão da corrente mista bifásica fc1/t.

[078] Isso considera que é assegurado por meio do dimensionamento dos trocadores 3i e 4i que Th3 é > Te3.

[079] A aceleração sofrida pela corrente fc1/t e3m no IMA 10ii produz uma corrente acelerada fc1/t e4, que é projetada nas pás da turbina 11iii, por exemplo, do tipo Pelton 9, que pode ser usada como conversor de energia cinética em energia mecânica de rotação transmitida ao alternador 12iv que produz energia elétrica, tudo isso no quadro da etapa (IX).

[080] Antes da separação na etapa (X), a corrente fc1/t e4, que agora tornou-se e5 e da qual uma grande parte da energia cinética da mesma foi liberada, é caracterizada por uma pressão Pfc1/t aproximadamente igual, ou igual à pressão atmosférica.

[081] Após a separação da etapa (X), a corrente fc1/t e5 se divide em uma corrente ft100 e6 e uma corrente fc0 h1. fc1/t e ft100 são recuperadas separadamente de acordo com a etapa (XI).

[082] A Figura 2B mostra que as temperaturas Te3m, Te4, Te5 e Te6 são iguais entre si e são acima da temperatura Tevap = Te3.

[083] Na etapa (XII), fc0 é comprimida e a velocidade de circulação da mesma é aumentada.

[084] A corrente ft00 de vapor e6 passa por uma queda de temperatura para atingir a temperatura Te1 da corrente ft0 pelo menos parcialmente de líquida água e1, durante a etapa de condensação de acordo com a etapa (XIII).

[085] Na etapa (XIV), ft0 é comprimida e a velocidade de circulação da mesma é aumentada. Uma outra variante deste modo de implementação preferido do método de acordo com a invenção

[086] De acordo com uma possiblidade benéfica da invenção, assegura-se que a expansão da corrente ft no recipiente também que recebe a corrente fc1 de nível de fluido FC produza um efeito de bomba de jato causado por uma corrente de acionamento, a saber, a corrente ft de FT, em uma corrente aspirada, a saber, a corrente fc1 de FC.

[087] Esse efeito de bomba de jato é determinado pela configuração do recipiente de mistura do IMA 10ii.

[088] Modalidades exemplificativas de uma configuração como essa são dados a seguir.

Variante de “expansão dupla” desse modo de implementação preferido do método de acordo com a invenção

[089] Nessa variante, uma etapa (VIII°) de pré-aceleração da corrente ft é realizada por expansão, preferivelmente politrópica, da corrente ft.

[090] A Figura 3A mostra o diagrama do sistema de acordo com essa variação “expansão dupla”.

[091] Isso corresponde ao diagrama do sistema de acordo com a modalidade preferida mostrada na Figura 2A, com a diferença que a corrente ft de vapor e3 é introduzida, por meio da linha de alimentação 43.1 conectada à saída do trocador 4i, em um acelerador apenas de vapor 14, em que essa corrente ft passa por uma expansão, preferivelmente politrópica, que produz a queda de temperatura de Tevap = Te3, por exemplo, compreendida entre 210 e 230°C, para uma temperatura Te3i > Tevap = Te3, por exemplo, compreendida entre 180 e 205°C. (vide Figura 3B).

[092] A corrente ft de vapor e3i é então alimentada no IMA 10ii por meio da linha de alimentação 43.2.

[093] O restante do sistema de acordo com essa variante “expansão dupla” corresponde à descrição dada para o sistema de acordo com o modo de implementação preferido do método de acordo com a invenção.

Dispositivo

[094] Em um outro dos aspectos da mesma, a presente invenção se refere a um dispositivo, em particular, para implementar o método de acordo com a invenção. Esse dispositivo compreende: Trocador de calor 3i

[095] Esse é, por exemplo, um trocador de fumos/óleo tubular (fluxo reverso).

Trocador de calor 4i

[096] Esse é, por exemplo, um trocador de placas de fumos/óleo (fluxo reverso).

Acelerador apenas de vapor 14

[097] Esse é, por exemplo, um bocal de fluxo de expansão, cujo perfil é otimizado para acelerar a velocidade da corrente de vapor de FT.

IMA 10ii

[098] Preferivelmente, o misturador ou misturadores 10M compreendidos no IMA 10ii podem ser um ou mais misturador(es) em que o fragmentador é um fragmentador com jatos e/ou qualquer outro dispositivo conhecido per se, compreendendo um fragmentador adequado.

[099] Preferivelmente, o acelerador ou aceleradores 10A compreendidos no IMA 10ii podem ser um ou mais bocal(is) de fluxo de aceleração, dimensionados para ser sônicos no estrangulamento (velocidade de fluido = velocidade do som no meio). Modalidade com um misturador de jato

[0100] Como mostrado na Figura 4, o misturador de jato preferivelmente compreende: - pelo menos uma câmara 50 para misturar a corrente fc0 na forma de névoa e a corrente ft na forma de vapor ou mistura vapor/água, essa câmara de mistura 50 convergindo na direção das correntes ft e fc1; - pelo menos um tubo 51 para admissão da corrente ft de FT na câmara de mistura 50; - pelo menos uma linha de alimentação 52 para admissão de FC na câmara de mistura 50.

[0101] Nessa modalidade exemplificativa, a câmara de mistura 50 tem um formato no geral de ogiva, provido com uma parede à montante 53, uma parede longitudinal 54, e uma parte terminal à jusante convergente 55. A parede à montante 53 é conectada ao tubo 51 para admissão de FT no interior da câmara de mistura 50. Um suporte do bocal de fluxo 56 conecta o tubo de admissão 51 a um bocal de fluxo terminal 57 para descarga da corrente ft de vapor e3i no recipiente 58 da câmara de mistura 50. Em sua parte terminal, o suporte do bocal de fluxo 56 compreende um bocal de fluxo 57 que possibilita realizar a etapa (VIII) de aceleração e expansão, preferivelmente quase isotermicamente ou por padrão politropicamente, a corrente ft de vapor e3 (Figura 3A) de maneira a obter a corrente descarregada ft de vapor e3i.

[0102] O suporte do bocal de fluxo 56 é um segmento interno axial com relação à câmara de mistura. O bocal de fluxo terminal 57 para descarga de FT inclui uma fenda de saída 57s para a corrente ft de vapor e3, colocada nas proximidades da parte de extremidade que tem a menor dimensão da câmara tipo ogiva convergente 50.

[0103] A linha de alimentação 52 para admissão da corrente fc0 de FC na câmara de mistura 50 se estende em uma direção ortogonal com relação ao tubo 51 para admissão da corrente ft de FT. Essa linha de alimentação 52 se abre para uma pré-câmara circular 60 situada na parte à montante da câmara tipo ogiva 50. Essa pré-câmara 60 distribui a corrente fc0 de FC em um conjunto de jatos periféricos 61, 62, distribuídos uniformemente em torno do suporte do bocal de fluxo 56, em 2 níveis, um nível à montante central: jatos 62, e um nível à jusante periférico: jatos 61. Esses jatos 61, 62, as fendas de saída FC dos quais são à montante da fenda de saída 57s da corrente ft de FT, produzem a nevoa de gotículas de FC (corrente fc1) no recipiente 58 da câmara de mistura 50.

[0104] A parte terminal à jusante convergente 55 da câmara de mistura 50 é firmemente fixa à parede longitudinal 54 dessa câmara de mistura 50, por meio de um sistema à montante de flanges e parafusos denotado pela referência geral 63 na Figura 4. Uma vedação circular 64 é colocada entre essa parte terminal à jusante 55 e a parede longitudinal 54. Um outro sistema à jusante 66 de flanges e parafusos possibilita fixar firmemente a parte terminal à jusante 55 da câmara tipo ogiva 50 a um tubo de aceleração 67. Isso é constituído por um bocal de fluxo (apenas a parte à montante do qual é mostrada na Figura 4) e coleta a corrente mista bifásica fc1/t (referenciada e3m na Figura 3A) a fim de submetê-la a uma aceleração.

[0105] Os jatos 61 e 62, que são, por exemplo, nesse caso, os que incluem uma parte de extremidade em espiral (“saca-rolha”).

[0106] O suporte do bocal de fluxo 56, com uma restrição à montante 59, e o bocal de fluxo de aceleração 67 são também componentes conhecidos per se e adequados para realizar a função de aceleração de fluido vapor ou fluido óleo/vapor bifásico.

Em uma característica digna de nota da invenção, a extremidade da fenda de saída 57s do bocal de fluxo de descarga terminal 57 é colocado a uma distância d da parte terminal à montante da entrada do tubo de aceleração 67 de diâmetro D, de maneira tal que: D ≤ d ≤ 3D, preferivelmente 1,5D ≤ d ≤ 2,5D.

[0107] Em uma outra característica digna de nota da invenção, a estrutura tipo ogiva convergente da câmara de mistura 50, o posicionamento relativo do bocal de fluxo 57 à jusante dos jatos 61/62 possibilita gerar um efeito de bomba de jato por meio do que a corrente ft de FT é um fluido de acionamento que aciona o fluido aspirado constituído pela névoa de gotículas de fluido FC (óleo): corrente fc1.

[0108] Esse efeito de bomba de jato possibilita reduzir a pressão do fluido FC ao deixar a bomba 35, e dessa forma reduzir o consumo de energia.

Conversor de energia cinética/energia mecânica 11iii

[0109] Esse é, por exemplo, uma turbina tipo Pelton, tal como descrito no relatório descritivo de patente PCT WO2012/089940A2, em particular nas Figuras 3 e 4 e nas partes correspondentes da descrição.

[0110] Esse conversor de energia cinética exemplificativo 11iii é descrito novamente a seguir com referência à Figura 5.

[0111] O conversor de energia cinética 11iii compreende um recipiente termicamente isolado 150 formado por duas meias-cascas convexas 152 de formato elíptico vantajosamente soldadas em dois flanges 154. A soldagem das duas meias-cascas 152 forma um recipiente vedado 150 de eixo geométrico substancialmente vertical B perpendicular ao eixo geométrico A do injetor 151. O fundo do recipiente 150 forma, por exemplo, o reservatório de fluido de transferência de calor FC (óleo) onde este é coletado após ter passado para o conversor 11iii, como será descrito a seguir.

[0112] Um tanque 155 é arranjado dentro do recipiente

150. Esse tanque 155 é formado de um fundo 156 substancialmente no formato de um cone truncado ou um funil e uma parede 157 de formato substancialmente cilíndrico que se estende a partir do fundo 156; o fundo 156 e a parede 157 se estendendo ao longo do eixo geométrico B. Uma roda motriz cilíndrica 158 é montada rotacionalmente no tanque 155 por meio de um eixo mecânico 159 que se estende substancialmente ao eixo geométrico vertical B. A roda motriz 158 é arranjada voltada para o injetor 20 de forma que o jato injetado por esse aciona a roda motriz 158 e o eixo mecânico 159 rotacionalmente de maneira a converter a energia cinética axial do jato em energia cinética rotacional do eixo mecânico

159. A roda motriz 158 é arranjada no recipiente 150.

[0113] A roda motriz 158 compreende uma pluralidade de pás 160 que se estendem de forma substancialmente radial e tendo um formato côncavo. A concavidade 161 das pás 160 é virada para o injetor 151 de forma que o jato injetado proveniente do injetor atinja as ditas concavidades 161 e aciona a rotação da roda 158. A concavidade das pás 160 tem um formato assimétrico com relação a um eixo geométrico C que passa pelo fundo 162 das concavidades e substancialmente perpendicular a essas concavidades, isto é, substancialmente paralelo ao eixo geométrico A situado acima do eixo geométrico C. Para cada pá 160 essa assimetria determina uma parte superior 163 que se estende acima do eixo geométrico C e uma parte inferior 164 que se estende abaixo do eixo geométrico C. A parte superior 163 e a parte inferior 164 têm diferentes raios de curvatura e comprimentos. Em particular, o raio de curvatura da parte inferior 164 é maior que o raio de curvatura da parte superior 163, enquanto o comprimento da parte inferior 164 é maior que o comprimento da parte superior 163.

[0114] O injetor 151 é arranjado para injetar o jato na parte superior 163 das pás 160. A posição de injeção do jato nas pás 160 bem como o formato particular destas possibilita estender o trajeto do jato nas pás 160 e melhorar a estratificação desse jato ao deixar as pás, o que possibilita então separar o fluido de transferência de calor e o gás a alta temperatura. O ângulo no qual o jato deixa as pás 160, isto é, o ângulo formado entre a tangente com a extremidade da parte inferior da pá e o eixo geométrico horizontal C, é substancialmente compreendido entre 8° e 12°, de forma que ao deixar a pá 160 o tato tem uma energia cinética muito maior do que em uma turbina de Pelton convencional, onde o ângulo de saída das pás é substancialmente compreendido entre 4° e 8°. Esse aumento de energia cinética possibilita melhorar a separação do fluido de transferência de calor e o gás a alta temperatura.

Separador 13v = defletor 165

[0115] Ao deixar a pá 160, o jato entra em um defletor 165 que se estende abaixo das pás 160 e é arranjado a fim de reorientar o fluido recebido para a parede 157 do tanque 155. O defletor 165 possibilita estratificar a mistura do fluido de transferência de calor e o gás a alta temperatura, como mostrado na Figura 4 de WO2012/089940A2. Em particular, o defletor 165, mais particularmente mostrado na Figura 3 de WO2012/089940A2, tem um formato arranjado para recuperar a mistura que deixa a roda 158 em uma direção substancialmente vertical e para reorientar continuamente essa mistura em uma direção substancialmente horizontal, como mostrado na Figura 4 de WO2012/089940A2, de forma que ela deixe o defletor 165 tangencialmente à parede 157 do tanque 155, isto é, a mistura deixa o defletor 165 seguindo a parede 157 do tanque 155. Para isso, o defletor 165 compreende pelo menos uma abertura de entrada 166 para a mistura de fluido de transferência de calor e gás a alta temperatura que deixa a roda motriz 158, a dita abertura se estendendo em um plano substancialmente perpendicular ao eixo geométrico B da roda 158, isto é, um plano substancialmente horizontal, e uma abertura de saída 167 para a mistura, a dita abertura se estendendo nas proximidades da parede 157 do tanque 155 e em um plano substancialmente vertical. A abertura de entrada 166 e a abertura de saída 167 são conectadas entre si por um encerramento 168 tendo um formato curvo, como mostrado na Figura 3 de WO2012/089940A2. De acordo com a modalidade particular mostrada na Figura 3 de WO2012/089940A2, paredes internas se estendem ao interior do encerramento 168, substancialmente paralelas a esta de maneira a definir canais para circulação da mistura no encerramento e para separar diversas aberturas de entrada e um número correspondente de aberturas de saída.

[0116] A separação do fluido de transferência de calor e o gás a alta temperatura começa nas pás 160 por centrifugação da mistura por causa do formato das pás 160. Durante passagem para o defletor 165, o restante da mistura é estratificado e passa continuamente de um fluxo na direção de saída da roda 158 para um fluxo tangencial à parede 157 do tanque 155, como mostrado na Figura 4 de WO2012/089940A2. Esse fluxo tangencial causa centrifugação da mistura por causa do formato cilíndrico da parede 157, que possibilita completar a separação do gás a alta temperatura e do fluido de transferência de calor pelo efeito ciclone. Dessa forma, a separação da mistura é feita idealmente de forma que o fluido de transferência de calor e o gás a alta temperatura sejam separados a um nível maior que 98%. O fato de prover uma roda motriz 158 rotacionável em torno de um eixo geométrico substancialmente vertical B possibilita criar o efeito ciclone na parede do tanque, pelo fato de que é possível colocar um defletor 165 para reorientar a mistura adequadamente.

[0117] De acordo com uma modalidade, o conversor de energia compreende diversos injetores 151, por exemplo, seis, como em uma turbina Pelton convencional, e um número igual de defletores 165.

[0118] Uma vez separado, o fluido de transferência de calor é acionado para o fundo do tanque 155 por gravidade, enquanto o gás a alta temperatura formado pelo vapor move para o topo do recipiente 150. A parte superior do recipiente 150 compreende meios 169 para recuperar a corrente ft de vapor a alta temperatura separado do fluido de transferência de calor FC. A corrente de vapor a alta temperatura ft deixa o recipiente por meio desses meios de recuperação 169 e circula no restante da instalação como será descrito a seguir.

[0119] O fundo 156 do tanque 155 compreende meios 170 para recuperar o fluido de transferência de calor, de forma que esse passe para dentro do reservatório 171 ao deixar o tanque 157. Esses meios de recuperação 170 são, por exemplo, formados por furos de fluxo feitos no fundo 156 do tanque 155 e comunicando entre o tanque 155 e o fundo do recipiente 150.

[0120] O fluido de transferência de calor recuperado serve em particular para lubrificar pelo menos um mancal de empuxo plano 70 do tipo hidrodinâmico por meio do que o eixo mecânico 159 da roda motriz 158 é montado rotacionalmente no fundo 156 do tanque 155. O mancal de empuxo plano 172 de fato banha no fluido de transferência de calor recuperado por meios de recuperação 173. Um mancal como esse 172 possibilita assegurar a rotação do eixo mecânico 159 a alta velocidade em um ambiente de alta temperatura com uma longa vida útil, diferente de mancais de esfera convencionais. Além disso, a instalação do mancal 172 dentro do recipiente 150 possibilita evitar qualquer problema de vedação e impede vazamento do fluido de transferência de calor, que poderia ser perigoso. De acordo com a modalidade mostrada na Figura 7, o conversor 11iii compreende dois mancais de empuxo simples 172. No reservatório 171, uma bomba de circulação 173 para fluido de transferência de calor FC (óleo), por exemplo, do tipo volumétrico, é montada no eixo mecânico 159 por meio de uma vedação homocinética 174. Essa bomba é conectada a um tubo de saída 175 que conecta o interior do recipiente 150 ao exterior, e possibilitando circular o fluido de transferência de calor para o restante da instalação 1. A bomba de circulação 72 é dessa forma arranjada para aspirar o fluido de transferência de calor FC do reservatório 171 e injetá-lo no tubo de saída 175. A bomba de circulação não tem um motor de acionamento, já que a atuação da mesma é assegurada pela rotação do eixo mecânico 159 da roda motriz 158 acionada pelo jato injetado pelo injetor 151.

Conversor de energia mecânica em energia elétrica:

alternador 12iv

[0121] Como mostrado na Figura 5, o eixo mecânico 159 da roda motriz 158 deixa o recipiente 151 por meio de um pistão 184 arranjado para prover vedação entre o interior do recipiente 151 e o exterior do recipiente 151, por exemplo, um pistão Sueco. O eixo mecânico 159 aciona rotacionalmente o rotor do alternador 12iv, vantajosamente do tipo ímã permanente. Esse alternador 12iv possibilitar converter a energia cinética de rotação do eixo mecânico 159 em energia elétrica. O alternador 12iv é resfriado, no nível da folga de ar do mesmo, por uma ventoinha 180 montada no rotor do mesmo, e por um tubo de circulação de água, formando o cabeçote de resfriamento 181, que reveste o estator do mesmo. A alimentação de água no cabeçote de resfriamento 181 se origina de uma fonte de suprimento de água e é levado para a camisa ou uma bomba volumétrica 182 acionada pelo eixo mecânico 159 por meio de uma engrenagem redutora 183. Dessa forma, a bomba 108 não tem motor atuante. O cabeçote de resfriamento 181 serve para resfriar o alternador 12iv e pré-aquecer a água, como aqui descrito.

Condensador 45

[0122] A corrente ft de vapor coletada pelos meios de recuperação 169 provida no recipiente 151 na Figura 5 é resfriada por um condensador 45, a fim de ser convertida em uma corrente ft0 de fluido de trabalho líquido FT (água) antes de ser reciclada.

[0123] Isso pode ser, por exemplo, um condensador do tipo torre de resfriamento ou um trocador cuja bobina secundária é alimentada com água a uma temperatura menor que 60°C (rio, canal etc.).

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. MÉTODO PARA CONVERTER ENERGIA TÉRMICA, PREFERIVELMENTE DE CALOR RESIDUAL, contida em um fluido pelo menos parcialmente gasoso denominado fluido residual (FF), em energia mecânica, e preferencialmente em energia elétrica e/ou energia de refrigeração; o dito método utilizando pelo menos um fluido de trabalho FT e pelo menos um fluido de transferência de calor FC, em que: I. uma corrente fc0 de fluido FC, pelo menos parcialmente líquida, é utilizada; II. energia térmica a ser convertida, proveniente do fluido FF, é transferida para a corrente fc0; III. a corrente fc0 aquecida em (II) é pulverizada a fim de gerar uma corrente fragmentada fc1 de fluido FC; IV. em paralelo, uma corrente f t0 de fluido FT, pelo menos parcialmente líquida, é utilizada; V. então energia térmica a ser convertida, proveniente do fluido FF, é transferida para a corrente ft0 de fluido FT, a fim de gerar uma corrente ft, a temperatura da qual é superior à da corrente ft0, o fluido FT da corrente ft sendo: i. em fase líquida; ii. em fase líquida e em fase vapor; iii. em fase vapor saturado; iv. ou em fase vapor superaquecido; VI. quando necessário, a corrente ft é aquecida para evaporá-la de maneira tal que a titulação de vapor da mesma seja maior ou igual a 0,9, preferivelmente 0,95;

VII. a corrente ft é injetada em pelo menos um recipiente que também recebe a corrente fc1 de fluido FC, a fim de formar uma corrente mista bifásica fc1/t, a razão Rd do fluxo de massa do fluido FT para o fluxo de massa total do fluido FC e do fluido FT sendo compreendida entre 1 e 20%, preferivelmente entre 3 e 18%, e ainda mais preferencialmente entre 5 e 15%;

VIII. essa corrente fc1/t é então acelerada e expandida;

IX. a energia cinética dessa corrente acelerada f c1/t é convertida em energia mecânica; está sendo opcionalmente convertida em energia elétrica e/ou energia de refrigeração;

X.

FT por um lado e FC por outro lado são separados;

XI. por um lado, uma corrente pelo menos parcialmente gasosa ft00 de FT e, por outro lado, uma corrente pelo menos parcialmente líquida fc0 de FC são recuperadas;

XII. a corrente f c0 de FC é comprimida, e a velocidade de circulação da mesma é aumentada;

XIII. a corrente pelo menos parcialmente gasosa ft00 de FT é condensada em uma corrente pelo menos parcialmente líquida f t0 de FT;

XIV. a corrente f t0 de FT é comprimida, e a velocidade de circulação da mesma é aumentada;

caracterizado pelo fato de que esse método compreende a implementação de pelo menos um laço de circulação FT e pelo menos um laço de circulação FC;

esses dois laços tendo em comum:

i. pelo menos um Injetor-Misturador-Acelerador (IMA) em que a corrente fc0 e a corrente ft são destinadas a ser injetadas/misturadas/aceleradas;

ii. pelo menos um conversor da corrente acelerada fc1/t em energia mecânica;

2. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que, durante a etapa VII, injeção da corrente ft do fluido de trabalho FT em um recipiente de injeção do IMA é realizada a uma velocidade compreendida entre 40 e 300 m/s, preferivelmente entre 50 e 150 m/s e ainda mais preferencialmente entre 60 e 100 m/s.

3. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que é assegurado que a expansão da corrente ft no recipiente do IMA que também recebe a corrente fragmentada fc1 de fluido FC provoca um efeito causado por uma corrente de acionamento, a saber, a corrente ft de FT, em uma corrente aspirada, a saber, a corrente fc1 de FC.

4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que, antes da etapa VIII, a corrente ft passa, durante pelo menos uma etapa (VIII°), por uma pré- aceleração pela expansão, preferivelmente quase isotérmica, em pelo menos uma câmara tendo um perfil adequado, preferivelmente em um bocal de fluxo; essa etapa (VIII°) vantajosamente sendo implementada na mesma câmara com perfil adequado que da etapa (VIII).

5. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que FT é um líquido aquoso, preferivelmente selecionado do grupo que compreende - idealmente constituído por - água, glicerol e misturas dos mesmos, e em que FC é selecionado de óleos vegetais ou minerais, preferivelmente de óleos que são imiscíveis em água e/ou tendo uma temperatura na qual surge vitrificação que é maior ou igual a 200°C, preferivelmente 300°C, e ainda mais preferencialmente dos óleos vegetais, FC idealmente sendo selecionado do grupo que compreende - idealmente composto de -: óleo de rícino e/ou óleo de oliva.

6. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o fluido residual FF inicialmente tem uma temperatura acima de 200°C e preferencialmente acima de 300°C, e/ou é selecionado de fluidos gasosos e, ainda mais preferencialmente, do grupo que compreende - idealmente composto de -: ar quente, vapor, gases de escape de motor, fumos, em particular fumos industriais, calor de chama e calor de secadores, ou dos fluidos líquidos (por exemplo, como é o caso em instalações de concentração solar).

7. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que ele implementa pelo menos uma das seguintes características: C1. a pressão operacional Pf c0 (em bar) da corrente fc0 antes da pulverização na etapa III e após a compressão da corrente fc0 de FC na etapa XII é de maneira tal que - em uma ordem crescente de preferência: 3 ≤ Pfc0 ≤ 30; 5 ≤ Pfc0 ≤ 25; 10 ≤ Pfc0 ≤ 15 C2. a pressão operacional Pf t (em bar) da corrente ft antes da injeção durante a etapa VII e após a compressão da corrente f t00 de FC na etapa XIV é de maneira tal que - em uma ordem crescente de preferência: 3 ≤ Pf t ≤ 30; 5 ≤ Pf t ≤ 25; 10 ≤ Pf t ≤ 15 C3. Pfc0 e Pft são idênticas ou diferentes, preferivelmente idênticas;

C4. a pressão Pfc1/t da corrente fc1/t após a etapa IX de conversão da energia cinética em energia mecânica, em bar e em uma ordem crescente de preferência, é de maneira tal que: Pf c1/t ≤ 2; 0,3 ≤ Pf c1/t ≤ 1,5; igual ou aproximadamente igual à pressão atmosférica.

8. DISPOSITIVO, em particular para implementar o método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos um laço de circulação FT e pelo menos um laço de circulação FC, esses dois laços tendo em comum: i. pelo menos um Injetor-Misturador-Acelerador (IMA) em que a corrente fc0 e a corrente ft são destinadas a ser injetadas/misturadas/aceleradas; ii. pelo menos um conversor da corrente acelerada f c1/t em energia mecânica; iii. opcionalmente pelo menos um conversor dessa energia mecânica em energia elétrica e/ou energia de refrigeração; iv. pelo menos um separador de FT e FC; - o laço de circulação FT incluindo pelo menos um trocador de calor entre FT (etapa V, ou VI) e FF, pelo menos um condensador de FT e pelo menos uma bomba para circular FT nesse laço; - o laço de circulação FC incluindo um trocador de calor entre FC (etapa II) e FF, e pelo menos uma bomba para circular FC nesse laço.

9. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que IMA compreende pelo menos um misturador de jato da corrente fragmentada fc0 e da corrente ft na forma de vapor.

10. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o misturador de jato compreende:

- pelo menos um fragmentador da corrente fc0 na forma de gotículas, o dito fragmentador incluindo pelo menos um jato, preferencialmente diversos, a fim de minimizar a queda de pressão na corrente fc0;

- pelo menos uma câmara para misturar a corrente fc0 após fracionamento e a corrente ft na forma de água e/ou vapor, essa câmara de mistura convergindo na direção das correntes FT e FC;

- pelo menos um tubo para admissão de FT na câmara de mistura;

- pelo menos uma linha de alimentação para admissão de FC na câmara de mistura;

em que a câmara de mistura inclui uma saída colocada no ponto de convergência da mesma, essa saída se abrindo para pelo menos um tubo de aceleração;

em que o tubo para admissão de FT compreende um segmento interno axial com relação à câmara de mistura, esse segmento interno axial sendo equipado com pelo menos um jato de extremidade para descarga de FT, que inclui uma fenda de saída FT colocada nas proximidades da parte de extremidade que tem a menor dimensão da câmara de mistura convergente;

em que a linha de alimentação para admissão de FC comunica com uma pluralidade de jatos para descarga de FC que são distribuídos na circunferência do segmento interno axial para admissão de FT, que inclui fendas de saída FC à montante da fenda de saída FT;

o segmento interno axial do tubo para admissão de FT sendo preferivelmente equipado com um elemento de aceleração, vantajosamente formado por um Venturi.