BRPI0918110B1 - dispositivo de produção de eletricidade - Google Patents
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Abstract
dispositivo de produção de eletricidade a presente invenção refere-se a um dispositivo (1) de produção de eletricidade que compreende: - uma primeira bomba de calor (3), dotada de um primeiro circuito fechado (15) no qual circula um primeiro fluido de troca de calor, e de um primeiro trocador de calor (17) entre o primeiro fluido de troca de calor e um fluxo de ar atmosférico no qual o fluxo de ar atmosférico cede uma quantidade de calor ao primeiro fluido de troca de calor, - pelo menos uma segunda bomba de calor (5), dotada de um segundo circuito fechado (23) no qual circula um segundo fluido de troca de calor, e de um segundo trocador de calor (25) entre o segundo fluido de troca de calor e um terceiro fluido de troca de calor, no qual o segundo fluido de troca de calor cede uma quantidade de calor ao terceiro fluido de troca de calor; - meios para transferir uma quantidade de calor do primeiro fluido de troca de calor para o segundo fluido de troca de calor; - um terceiro circuito fechado (9), no qual circula o terceiro fluido de troca de calor; - uma turbina (11) intercalada no terceiro circuito fechado (9) e acionada pelo terceiro fluido de troca de calor; - um gerador elétrico (13), mecanicamente acionado pela turbina (11).
Description
“DISPOSITIVO DE PRODUÇÃO DE ELETRICIDADE”
Campo da Invenção [001] A presente invenção refere-se, em geral, a dispositivos de produção de eletricidade.
Fundamentos da Invenção [002] Os dispositivos de produção de eletricidade conhecidos até hoje contribuem para o aquecimento atmosférico (central de combustão fóssil ou vegetal) ou são neutros em relação ao aquecimento atmosférico (central hidráulica, eólica, central nuclear). Os dispositivos de produção de eletricidade que funcionam com energia solar contribuem para reduzir o aquecimento atmosférico, convertendo a energia solar em energia elétrica. Todavia, essas instalações de energia solar, geralmente, não são muito potentes, pelo fato de que o calor do sol só está disponível em baixa temperatura. Para aumentar a temperatura, é preciso concentrar os raios do sol, o que é tecnicamente complexo.
[003] A energia solar é, portanto, útil para aquecer a água ou o ar, mas é mal adaptada à produção maciça de energia elétrica. As células fotovoltaicas só são capazes, atualmente, de fornecer pequenas quantidades de energia elétrica.
[004] Por outro lado, é conhecido que as bombas de calor permitem a produção de calor a uma temperatura superior à do ar ambiente. A bomba de calor absorve a energia do ar ambiente e fornece calor com uma diferença de temperatura geralmente da ordem de 30 a 40°C em relação ao ar ambiente. Essas máquinas não são apropriadas para a produção de energia elétrica, por causa da pequena diferença de temperatura entre os pontos quente e frio da bomba de calor.
Descrição da Invenção [005] Nesse contexto, a presente invenção tem por objetivo
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2/16 propor um dispositivo de produção de eletricidade que contribua para limitar o aquecimento atmosférico, e que permita produzir eletricidade em grandes quantidades com uma eficácia aceitável.
[006] Para esse fim, a presente invenção refere-se a um dispositivo de produção da eletricidade do tipo que compreende:
- uma primeira bomba de calor, dotada de um primeiro circuito fechado, no qual circula um primeiro fluido de troca de calor, e de um primeiro trocador de calor entre o primeiro fluido de troca de calor e um fluxo de ar atmosférico, no qual o fluxo de ar atmosférico cede uma quantidade de calor ao primeiro fluido de troca de calor;
- pelo menos uma segunda bomba de calor, dotada de um segundo circuito fechado, no qual circula um segundo fluido de troca de calor, e de um segundo trocador de calor entre o segundo fluido de troca de calor e um terceiro fluido de troca de calor, no qual o segundo fluido de troca de calor cede uma quantidade de calor ao terceiro fluido de troca de calor;
- meios para transferir uma quantidade de calor do primeiro fluido de troca de calor para o segundo fluido de troca de calor;
- um terceiro circuito fechado no qual circula o terceiro fluido de troca de calor;
- uma turbina intercalada no terceiro circuito fechado e acionada pelo terceiro fluido de troca de calor; e
- um gerador elétrico, mecanicamente acionado pela turbina.
[007] O dispositivo de produção pode igualmente apresentar uma ou mais características a seguir, consideradas individualmente ou segundo todas as combinações tecnicamente possíveis:
- os meios para transferir uma quantidade de calor do primeiro fluido de troca de calor para o segundo fluido de troca de calor compreendem uma terceira bomba de calor, dotada de um quarto circuito fechado no qual
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3/16 circula um quarto fluido de troca de calor, de um terceiro trocador de calor entre o primeiro fluido de troca de calor e o quarto fluido de troca de calor, no qual o primeiro fluido de troca de calor cede uma quantidade de calor ao quarto fluido de troca de calor, e de um quarto trocador de calor entre o quarto fluido de troca de calor e o segundo fluido de troca de calor, no qual o quarto fluido de troca de calor cede uma quantidade de calor para o segundo fluido de troca de calor;
- o primeiro fluido de troca de calor apresenta, em uma entrada do terceiro trocador de calor, uma pressão compreendida entre 1,8 e 2,2 MPa e uma temperatura compreendida entre 220 e 270°C, e o primeiro fluido de troca de calor apresenta, em uma entrada do primeiro trocador de calor, uma pressão compreendida entre 0,2 e 0,6 MPa e uma temperatura compreendida entre 0 e 20°C;
- o quarto fluido de troca de calor apresenta, em uma entrada do quarto trocador de calor, uma pressão compreendida entre 1,7 e 2,2 MPa e uma temperatura compreendida entre 290 e 330°C, e o quarto fluido de troca de calor apresenta, em uma entrada do terceiro trocador de calor, uma pressão compreendida entre 0,2 e 0,6 MPa e uma temperatura compreendida entre 30 e 70°C;
- o segundo fluido de troca de calor apresenta, em uma entrada do segundo trocador de calor, uma pressão compreendida entre 1,3 e 1,7 MPa e uma temperatura compreendida entre 340 e 390°C, e o segundo fluido de troca de calor apresenta, em uma entrada do quarto trocador de calor, uma pressão compreendida entre 0,1 e 0,5 MPa e uma temperatura compreendida entre 90 e 130°C;
- o terceiro circuito fechado compreende um primeiro e um segundo anéis nos quais circula o terceiro fluido de troca de calor, sendo que cada um dos primeiro e segundo anéis possuem uma linha quente que liga
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4/16 uma saída do segundo trocador de calor a uma entrada de alta pressão da turbina, e o primeiro anel possui uma primeira linha de retorno que liga uma saída de baixa pressão da turbina a uma entrada do segundo trocador de calor, e o segundo anel possui um trocador de calor intermediário entre o primeiro fluido de troca de calor e o terceiro fluido de troca de calor, no qual o terceiro fluido de troca de calor cede uma quantidade de calor ao primeiro fluido de troca de calor, e uma linha intermediária que liga uma saída de baixa pressão da turbina a uma entrada do trocador de calor intermediário, e uma segunda linha de retorno que liga uma saída do trocador intermediário a uma entrada do segundo trocador de calor;
- o primeiro fluido de troca de calor compreende essencialmente propano;
- o segundo fluido de troca de calor compreende essencialmente hexano;
- o quarto fluido de troca de calor compreende essencialmente butano;
- o terceiro fluido de troca de calor compreende essencialmente água.
Descrição Resumida do Desenho [008] Mais características e vantagens da presente invenção aparecerão na descrição detalhada feita a seguir, a título indicativo e sem caráter limitativo, em relação à figura única anexa que representa esquematicamente um dispositivo de produção de eletricidade de acordo com a presente invenção.
Descrição Detalhada do Desenho [009] O dispositivo representado na figura anexa destina-se à produção de eletricidade. Ele compreende uma turbina a vapor, intercalado a um circuito água/vapor, e o calor necessário para fornecer o vapor de água em
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5/16 alta pressão à turbina é obtido por meio de várias bombas de calor dispostas em série. Assim, o calor necessário para a produção de vapor em alta pressão é essencialmente retirado da atmosfera.
[0010] Mais precisamente, o dispositivo de produção de eletricidade 1 compreende:
- uma primeira, uma segunda e uma terceira bombas de calor 3, 5 e 7;
- um circuito água/vapor 9;
- uma turbina a vapor 11 intercalada no circuito água/vapor 9;
- um gerador elétrico 13, mecanicamente acionado pela turbina 11.
[0011] A primeira bomba de calor 3 compreende um primeiro circuito fechado 15, no qual circula um primeiro fluido de troca de calor, um primeiro trocador de calor 17 entre o primeiro fluido de troca de calor e o ar atmosférico, um compressor 19, e uma válvula de expansão 21.
[0012] O primeiro fluido de troca de calor compreende essencialmente propano. Vantajosamente, o primeiro fluido de troca de calor é propano tecnicamente puro.
[0013] O primeiro trocador de calor 17 compreende um primeiro lado no qual circula o ar atmosférico, e um segundo lado no qual circula o propano. De preferência, o dispositivo 1 compreende meios para forçar a circulação de ar do primeiro lado do trocador de calor 17. Esses meios podem, por exemplo, comportar ventiladores ou qualquer tipo de equipamento análogo.
[0014] A segunda bomba de calor 5 compreende um segundo circuito fechado 23 no qual circula um segundo fluido de troca de calor, um segundo trocador de calor 25 entre o segundo fluido de troca de calor e o fluido que circula no circuito água/vapor 9, um compressor 27 e uma válvula de expansão 29.
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6/16 [0015] O segundo fluido de troca de calor compreende essencialmente hexano. Por exemplo, o segundo fluido de troca de calor é hexano tecnicamente puro.
[0016] O segundo trocador de calor 25 compreende um primeiro lado no qual circula o segundo fluido de troca de calor, e um segundo lado no qual circula água em forma líquida ou de vapor. A água constitui um terceiro fluido de troca de calor.
[0017] A água que circula no circuito água/vapor 9 penetra no trocador de calor 25 em forma de vapor pela entrada 31 e em forma líquida pela entrada 33, recebe o calor cedido pelo segundo fluido de troca de calor, e sai do trocador de calor 25 na forma de vapor de água pelas saídas 35 e 37.
[0018] A terceira bomba de calor 7 compreende um terceiro circuito fechado 39 no qual circula um quarto fluido de troca de calor, um terceiro trocador de calor 41 entre o referido fluido de troca de calor e o primeiro fluido de troca de calor da primeira bomba de calor 3, um quarto trocador de calor 43 entre o referido fluido de troca de calor e o segundo fluido de troca de calor da segunda bomba de calor 5, um compressor 45 e uma válvula de expansão 47. O trocador de calor 41 apresenta um primeiro lado no qual circula o primeiro fluido de troca de calor, e um segundo lado no qual circula o quarto fluido de troca de calor.
[0019] O quarto trocador de calor 43 apresenta um primeiro lado no qual circula o quarto fluido de troca de calor e um segundo lado no qual circula o segundo fluido de troca de calor.
[0020] O quarto fluido de troca de calor compreende de preferência essencialmente butano. Por exemplo, o quarto fluido de calor é butano tecnicamente puro.
[0021] O circuito água/vapor 9 compreende um primeiro e um segundo anéis 49 e 51. O mesmo fluido de troca de calor circula nos dois
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7/16 anéis.
[0022] O primeiro anel 49 compreende uma primeira linha quente 53 que liga a saída de vapor 35 do segundo trocador de calor a uma entrada de alta pressão 55 da turbina 11. O primeiro anel compreende igualmente uma linha de retorno 57 que liga uma saída de baixa pressão 59 da turbina à entrada de vapor 31 do segundo trocador de calor. O primeiro anel 49 comporta ainda um compressor 61 intercalado na primeira linha quente 53.
[0023] O segundo anel 51 do circuito água/vapor compreende uma segunda linha quente que liga a segunda saída de vapor 37 do trocador de calor 25 à entrada de alta pressão 55 da turbina a vapor.
[0024] O segundo anel compreende ainda um trocador de calor intermediário 65 entre o primeiro fluido de troca de calor e o terceiro fluido de troca de calor, uma linha intermediária 67 que liga a saída de baixa pressão 59 da turbina a vapor a uma entrada 69 do trocador intermediário, e uma segunda linha de retorno que liga uma saída 73 do trocador intermediário à entrada de fluido 33 do segundo trocador de calor 25. O segundo anel comporta ainda um compressor 75 intercalado na linha de retorno 71.
[0025] O trocador intermediário 65 compreende um primeiro lado no qual circula o primeiro fluido de troca de calor, e um segundo lado no qual circula o terceiro fluido de troca de calor, a partir da entrada 69 até a saída 73.
[0026] O circuito fechado 15 liga uma saída de recalque do compressor 19 a uma entrada do primeiro lado do trocador de calor 41. O circuito 15 liga por outro lado a saída do referido primeiro lado à entrada da válvula de expansão 21. A saída da válvula de expansão 21 é ligada pelo circuito 15 a uma entrada do segundo lado do trocador de calor 17. O circuito liga, por outro lado, a saída do segundo lado do trocador 17 à entrada do primeiro lado do trocador 65, e a saída do primeiro lado do trocador 65 à aspiração do compressor 19.
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8/16 [0027] O primeiro fluido de troca de calor é gasoso entre a saída do trocador 17 e a entrada do trocador 41. Ele é líquido entre a saída do trocador 41 e a entrada do trocador 17. No trocador 17, o primeiro fluido de troca de calor está em contato térmico com o ar que circula do primeiro lado desse trocador. O ar cede calor ao primeiro fluido de troca de calor. O primeiro fluido de troca de calor é vaporizado durante sua passagem no primeiro trocador de calor 17.
[0028] No trocador intermediário 65, o primeiro fluido de troca de calor que circula no primeiro lado do trocador está em contato térmico com o vapor de água que circula no segundo lado do trocador. O vapor de água é pelo menos condensado parcialmente atravessando o trocador intermediário e cede calor ao primeiro fluido de troca de calor.
[0029] O primeiro fluido de troca de calor que circula no primeiro lado do trocador de calor 41 está em contato térmico com o quarto fluido de troca de calor que circulado no segundo lado do trocador 41. O primeiro fluido de troca de calor é condensado atravessando o trocador 41 e cede calor ao terceiro fluido de troca de calor.
[0030] O terceiro circuito fechado 39 liga o recalque do compressor 45 a uma entrada do primeiro lado do trocador de calor 43. Ele liga igualmente a saída do referido primeiro lado do trocador de calor 43 a uma entrada da válvula de expansão 47. O circuito fechado 39 liga, ainda, a saída da válvula de expansão 47 a uma entrada do segundo lado do trocador de calor 41. Finalmente, o circuito 39 liga uma saída do referido segundo lado do trocador 41 à aspiração do compressor 45.
[0031] Como indicado acima, o quarto fluido de troca de calor está em contato térmico com o primeiro fluido de troca de calor atravessando o trocador de calor 41 e recebe calor deste último. O quarto fluido de troca de calor é vaporizado no trocador de calor 41. O quarto fluido de troca de calor
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9/16 que atravessa o primeiro lado do trocador de calor 43 está em contato térmico com o segundo fluido de troca de calor que circula no segundo lado do trocador 43. O quarto fluido de troca de calor é condensado e atravessa o trocador de calor 43, cedendo calor para o segundo fluido de troca de calor.
[0032] O quarto fluido de troca de calor está no estado gasoso entre a saída do segundo lado do trocador de calor 41 e a entrada do primeiro lado do trocador de calor 43. Ele está no estado líquido entre a saída do primeiro lado do trocador 43 e a entrada do segundo lado do trocador 41.
[0033] O segundo circuito fechado 23 liga o recalque do compressor 27 a uma entrada do primeiro lado do trocador de calor 25. Ele liga igualmente uma saída do primeiro lado do trocador de calor 25 a uma entrada da válvula de expansão 29. O circuito 23 liga ainda a saída da válvula de expansão 29 à entrada do segundo lado do trocador 43, e a saída do referido segundo lado à aspiração do compressor 27. O segundo fluido de troca de calor que atravessa o segundo lado do trocador 43 está em contato térmico com o quarto fluido de troca de calor. Ele recebe calor do quarto fluido de troca de calor atravessando o trocador 43 e é vaporizado.
[0034] O segundo fluido de troca de calor está em contato térmico com o terceiro fluido de troca de calor no trocador de calor 25. Ao atravessar o primeiro lado do trocador de calor 25, ele é condensado e cede calor ao terceiro fluido de troca de calor.
[0035] O segundo fluido de troca de calor está no estado gasoso entre a saída do segundo lado do trocador 43 e a entrada do primeiro lado do trocador de calor 25. Ele está no estado líquido entre a saída do primeiro lado do trocador de calor 25 e a entrada do segundo lado do trocador de calor 43.
[0036] O trocador de calor 25 é, por exemplo, um trocador com duas zonas, uma primeira zona que permite aquecer o vapor de água que circula no primeiro anel, e uma segunda zona que permite vaporizar a água
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10/16 que circula no segundo anel. O segundo fluido de troca de calor que circula do primeiro lado do trocador de calor 25 é primeiramente posto em contato térmico com o fluido que circula no segundo anel, e em seguida posto em contato térmico com o fluido que circula no primeiro anel. O segundo lado do trocador térmico 25 compreende dois circuitos distintos, um entre a entrada 33 e a saída 37 e o outro entre a entrada 31 e a saída 35. Esses dois circuitos estão fluidicamente separados.
[0037] A água está no estado de vapor no primeiro anel, entre a saída 35 e a entrada de alta pressão 55 da turbina. Ela está no estado de vapor, perto da temperatura de saturação, entre a saída de baixa pressão 59 da turbina e a entrada 31 do segundo trocador de calor. No segundo anel, a água está no estado de vapor entre a saída 37 do segundo trocador de calor e a entrada de alta pressão 55 da turbina. Ela está no estado de vapor, perto da temperatura de saturação, entre a saída de baixa pressão 59 da turbina e a entrada 69 do trocador intermediário 65. O vapor é pelo menos parcialmente condensado no trocador 65. A água está em forma líquida entre o recalque do compressor 75 e a entrada 33 do segundo trocador de calor.
[0038] O funcionamento do dispositivo 1 descrito acima será agora detalhado.
[0039] O ar atmosférico que circula do segundo lado do trocador de calor 17 cede seu calor ao primeiro fluido de troca de calor. Por exemplo, o ar atmosférico apresenta uma diferença de temperatura de 12°C entre a entrada e a saída do trocador 17. A vazão de ar atmosférico é de aproximadamente 1 milhão m3/h. Por exemplo, o ar apresenta na entrada do trocador 17 uma temperatura de 12°C e uma temperatura de 0°C na saída do trocador 17.
[0040] A vazão de propano no primeiro circuito fechado 15 é de aproximadamente 40 t/h. O propano é vaporizado no trocador 17. Ele
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11/16 apresenta uma pressão de 0,4 MPa e uma temperatura de aproximadamente 0°C na entrada do trocador 17, e uma temperatura de 10°C na saída do trocador 17. O propano é aquecido no trocador intermediário 65. Ele apresenta uma pressão de 0,4 MPa e uma temperatura de aproximadamente 179°C na saída do trocador intermediário 65. O propano é comprimido pelo compressor 19 e apresenta uma pressão de 2,0 MPa e uma temperatura de aproximadamente 245°C no recalque do compressor 19. Ao atravessar o trocador de calor 41, o propano é condensado. Ele apresenta, na saída do trocador de calor 41, uma pressão de aproximadamente 2,0 MPa e uma temperatura de aproximadamente 60°C. O propano sofre finalmente uma distensão ao atravessar a válvula de expansão 21, e apresenta na saída dessa válvula uma pressão de 0,4 MPa e uma temperatura de aproximadamente 0°C.
[0041] O butano que circula no quarto circuito fechado 39 apresenta uma pressão de 0,4 MPa e uma temperatura de aproximadamente 50°C na entrada do trocador de calor 41. Ele é vaporizado ao atravessar esse trocador e apresenta na saída uma pressão de 0,4 MPa e uma temperatura de aproximadamente 240°C. O butano é comprimido em seguida pelo compressor 45 até uma pressão de 1,9 MPa e uma temperatura de aproximadamente 310°C. Ele é condensado ao atravessar o trocador de calor 43, e apresenta uma pressão de aproximadamente 1,9 MPa e uma temperatura de aproximadamente 116°C na saída do trocador de calor 43. O butano sofre em seguida uma distensão ao atravessar a válvula de expansão 47, até uma pressão de 0,4 MPa e uma temperatura de aproximadamente 50°C. A vazão de butano no quarto circuito fechado é de aproximadamente 52 t/h.
[0042] A vazão de hexano no segundo circuito fechado 23 é de aproximadamente 50t/h. Ele apresenta uma pressão de 0,25 MPa e uma temperatura de 110°C na entrada do trocador de calor 43. O hexano é vaporizado no trocador de calor 43 e apresenta uma pressão de 0,25 MPa e
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12/16 uma temperatura de 305°C na saída do trocador 43. O hexano é comprimido em seguida pelo compressor 27 até uma pressão de 1,5 MPa e uma temperatura de 365°C. O hexano é condensado ao atravessar o trocador de calor 25 e sofre em seguida uma distensão ao atravessar a válvula de expansão 29.
[0043] A vazão de água no terceiro circuito fechado 9 é no total de aproximadamente 65,2 t/h. A vazão de água no primeiro anel é de aproximadamente 62 t/h e a vazão de água no segundo anel é de aproximadamente 3,2 t/h. Na entrada 31 no segundo trocador de calor, o vapor de água que circula no primeiro anel apresenta uma pressão de 0,9 MPa e uma temperatura de aproximadamente 180°C. Ela é sobreaquecida ao atravessar o trocador de calor 25, e o vapor de água apresenta na saída 35 uma pressão de 0,9 MPa e uma temperatura de aproximadamente 360°C. O vapor de água é comprimido pelo compressor 61 até uma pressão de 3,0 MPa e uma temperatura de 405°C.
[0044] A água que circula no segundo anel apresenta na entrada 33 do segundo trocador de calor uma pressão de 3,0 MPa e uma temperatura de aproximadamente 180°C. Essa água é vaporizada no trocador de calor 25 até uma temperatura de aproximadamente 370°C e uma pressão de 3,0 MPa aproximadamente. O primeiro e o segundo anéis são ligados à mesma entrada 55 da turbina. Como variante, eles podem estar ligados a entradas diferentes.
[0045] O vapor de água aciona a turbina e sofre, ao mesmo tempo, uma expansão. Ele apresenta uma pressão de 0,9 MPa e uma temperatura de aproximadamente 180°C na saída de baixa pressão da turbina.
[0046] O vapor de água é subdividido em dois fluxos e é orientado em parte para a linha de retorno 57 do primeiro anel e em parte para a linha intermediária 67 do segundo anel.
[0047] O vapor de água é condensado pelo menos parcialmente
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13/16 no trocador intermediário 65, sendo que a pressão e temperatura permanecem sensivelmente constantes. A água apresenta na entrada do compressor 75 uma pressão de 0,9 MPa e uma temperatura de 180°C e no recalque do referido compressor, uma pressão de 3,0 MPa e uma temperatura de 180°C.
[0048] O balanço energético do dispositivo 1 é o seguinte: o ar atmosférico cede ao propano aproximadamente 15480800 kJ/hora. Este recebe no trocador intermediário 65 aproximadamente 6945440 kJ/hora. Ele recebe igualmente durante a compressão pelo compressor 19 aproximadamente 2301200 kJ/hora. O propano cede ao butano no trocador de calor 41 aproximadamente 24685600 kJ/hora.
[0049] O butano recebe durante a compressão pelo compressor 45 aproximadamente 2510400 kJ/hora. Ele cede aproximadamente 27196000 kJ/hora no trocador 43.
[0050] O hexano recebe aproximadamente 2510400 kJ/hora durante a compressão pelo compressor 27. Ele cede aproximadamente 29288418,4 kJ/hora à água no trocador de calor 25. Por outro lado, a água que circula no primeiro anel recebe durante a compressão pelo compressor 61 aproximadamente 2301200 kJ/hora. A energia recebida pela água que circula no segundo anel, durante a compressão pelo compressor 75 será desprezada.
[0051] Assim, a energia conferida à turbina é de aproximadamente 25104000 kJ/hora considerando o calor cedido pelo vapor do segundo anel no trocador intermediário 65. O rendimento elétrico do conjunto turboalternador 11 e 13 é de aproximadamente 70%. O alternador 13 produz, portanto, aproximadamente 16736836,8 kJ/hora de eletricidade, ou seja, uma potência elétrica de 4.900 kW.
[0052] O consumo elétrico dos diferentes compressores 19, 27, 45, 61 e 75 é de respectivamente 750 kW, 900 kW, 900 kW, 800 kW, 20 kW. O consumo dos ventiladores destinados a forçar a circulação de ar atmosférico
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14/16 através do trocador 17 é estimado em aproximadamente 100 kW.
[0053] O dispositivo de produção de eletricidade 1 apresenta, portanto, um saldo energético positivo de aproximadamente 1400 kW.
[0054] O dispositivo de produção de eletricidade 1 descrito acima apresenta múltiplas vantagens.
[0055] Pelo fato de que esse dispositivo 1 compreende:
- uma primeira bomba de calor, dotada de um primeiro circuito fechado no qual circula um primeiro fluido de troca de calor, e de um primeiro trocador de calor entre o primeiro fluido de troca de calor e um fluido de ar atmosférico no qual o fluxo de ar atmosférico cede uma quantidade de calor ao primeiro fluido de troca de calor,
- pelo menos uma segunda bomba de calor, dotada de um segundo circuito fechado no qual circula um segundo fluido de troca de calor, e de um segundo trocador de calor entre o segundo fluido de troca de calor e um terceiro fluido de troca de calor no qual o segundo fluido de troca de calor cede uma quantidade de calor ao terceiro fluido de troca de calor;
- meios para transferir uma quantidade de calor do primeiro fluido de troca de calor para o segundo fluido de troca de calor;
- um terceiro circuito fechado no qual circula o terceiro fluido de troca de calor;
- uma turbina intercalada no terceiro circuito fechado e acionada pelo terceiro fluido de troca de calor; e
- um gerador elétrico, mecanicamente acionado pela turbina, o dispositivo de produção de eletricidade 1 retira calor do ambiente, produzindo ao mesmo tempo eletricidade. O dispositivo 1 reage em virtude do fato de que, nas bombas de calor, para um 1 kW de energia aplicada em particular para a compressão do gás de troca de calor, é possível obter 5 kW de energia térmica. O fato de colocar várias bombas de calor em série,
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15/16 umas após as outras, permite elevar a cada etapa a temperatura do fluido de troca de calor, até uma temperatura que permita produzir vapor em quantidade suficiente para acionar uma turbina a vapor acoplada a um gerador elétrico. Assim, o fato de utilizar várias bombas de calor em série permite corrigir o defeito das bombas de calor, que é permitir apenas uma pequena diferença de temperatura entre o fluxo de calor absorvido e o fluxo de calor obtido pela bomba de calor.
[0056] Os fluidos de troca de calores são escolhidos de tal modo que a temperatura de condensação do fluido de uma determinada bomba de calor corresponde sensivelmente à temperatura de ebulição do fluido de troca de calor da bomba de calor seguinte na série.
[0057] Assim, comprimindo cada fluido de troca de calor por um compressor, e condensando-o em seguida por troca térmica com um fluido mais volátil, sendo que essa etapa é seguida por uma expansão, é possível absorver o calor de cada fluido de troca de calor pelo fluido menos volátil utilizado pela bomba de calor seguinte da série. Obtém-se, assim, um aumento progressivo por patamar da temperatura do fluido de troca de calor até atingir aproximadamente 400°C.
[0058] Duas bombas de calor em série podem ser suficientes para produzir eletricidade, mas é vantajoso utilizar pelo menos três bombas para obter um rendimento energético suficiente.
[0059] O uso de propano, de butano e de hexano como fluidos de troca de calores nas três bombas de calor colocadas em série é particularmente vantajoso, pois esses fluidos apresentam características bem adaptadas para o objetivo desejado.
[0060] Da mesma forma, os perfis de pressão e de temperatura descritos acima para os fluidos de troca de calores das três bombas de calor são particularmente bem adaptados.
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16/16 [0061] O fato de subdividir o circuito de vapor em dois anéis, com um anel que permite sobreaquecer o fluido de troca de calor da primeira bomba de calor antes da compressão, permite otimizar o rendimento energético total do dispositivo 1. O rolamento elétrico do conjunto turbina/alternador é assim superior a 60%, por exemplo, da ordem de 70%.
[0062] O dispositivo de produção de eletricidade 1 descrito acima pode apresentar múltiplas variantes.
[0063] Ele pode compreender somente duas bombas de calor ou três bombas de calor, ou mais de três bombas de calor em série uma com as outras, em função da potência a ser obtida e dos fluidos de troca de calores utilizados.
[0064] Os fluidos de troca de calores utilizados nas diferentes bombas de calor podem ser de qualquer tipo desde que a temperatura de condensação de um fluido de troca de calor utilizado em uma determinada bomba de calor corresponda sensivelmente à temperatura de ebulição do fluido de troca de calor utilizado na bomba de calor seguinte na série.
[0065] Da mesma forma, os perfis de pressão e de temperatura podem variar para cada uma das bombas de calor, em função da potência térmica a ser transferida e dos fluidos de troca de calores utilizados.
[0066] O circuito água/vapor poderia compreender apenas um único anel.
[0067] O trocador de calor 25 entre o segundo fluido de troca de calor e a água pode ser constituído de um trocador com várias zonas ou ser constituído de vários trocadores de calor fisicamente independentes uns dos outros.
Claims (4)
1. DISPOSITIVO DE PRODUÇÃO DE ELETRICIDADE (1), compreendendo:
uma primeira bomba de calor (3), dotada de um primeiro circuito fechado (15), no qual circula um primeiro fluido de troca de calor, e de um primeiro trocador de calor (17) entre o primeiro fluido de troca de calor e um fluxo de ar atmosférico, no qual o fluxo de ar atmosférico cede uma quantidade de calor ao primeiro fluido de troca de calor, pelo menos uma segunda bomba de calor (5), dotada de um segundo circuito fechado (23), no qual circula um segundo fluido de troca de calor, e de um segundo trocador de calor (25) entre o segundo fluido de troca de calor e um terceiro fluido de troca de calor, no qual o segundo fluido de troca de calor cede uma quantidade de calor ao terceiro fluido de troca de calor;
meios para transferir uma quantidade de calor do primeiro fluido de troca de calor para o segundo fluido de troca de calor;
um terceiro circuito fechado (9), no qual circula o terceiro fluido de troca de calor;
uma turbina (11) intercalada no terceiro circuito fechado (9) e acionada pelo terceiro fluido de troca de calor;
um gerador elétrico (13), mecanicamente acionado pela turbina (11);
o terceiro circuito fechado (9) compreendendo um primeiro e um segundo anéis (49, 51), nos quais circula o terceiro fluido de troca de calor, em que o primeiro anel (49) possui uma primeira linha de retorno (57) que liga uma saída de baixa pressão (59) da turbina (11) a uma entrada (31) do segundo trocador de calor (25);
o segundo anel (51) possui um trocador de calor intermediário (65), uma linha intermediária (67) que liga uma saída de baixa pressão (59) da
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2. DISPOSITIVO (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato que os meios para transferir uma quantidade de calor do primeiro fluido de troca de calor para o segundo fluido de troca de calor compreendem uma terceira bomba de calor (7), dotada de um quarto circuito fechado (39), no qual circula um quarto fluido de troca de calor, de um terceiro trocador de calor (41) entre o primeiro fluido de troca de calor e o quarto fluido de troca de calor, no qual o primeiro fluido de troca de calor cede uma quantidade de calor ao quarto fluido de troca de calor, e de um quarto trocador de calor (43) entre o quarto fluido de troca de calor e o segundo fluido de troca de calor, no qual o quarto fluido de troca de calor cede uma quantidade de calor para o segundo fluido de troca de calor.
2/4 turbina (11) a uma entrada (69) do trocador de calor intermediário (65), e uma segunda linha de retorno (71) que liga uma saída (73) do trocador intermediário (65) a uma entrada (33) do segundo trocador de calor (25);
caracterizado pelo fato de que cada um do primeiro e do segundo anéis (49, 51) possui uma linha quente (53, 63) que liga uma saída (35, 37) do segundo trocador de calor (25) a uma entrada de alta pressão (55) da turbina (11); e o trocador de calor intermediário (65) está entre o primeiro fluido e o terceiro fluido, no qual o terceiro fluido de troca de calor cede uma quantidade de calor ao primeiro fluido de troca de calor.
3/4
4. DISPOSITIVO (1), de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato que o quarto fluido de troca de calor apresenta, em uma entrada do quarto trocador de calor (43), uma pressão compreendida entre 1,7 e 2,2 MPa e uma temperatura compreendida entre 290 e 330°C, e o quarto fluido de troca de calor apresenta, em uma entrada do terceiro trocador de calor (41), uma pressão compreendida entre 0,2 e 0,6 MPa e uma temperatura compreendida entre 30 e 70°C.
5. DISPOSITIVO (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 4, caracterizado pelo fato que o segundo fluido de troca de calor apresenta, em uma entrada do segundo trocador de calor (25), uma pressão compreendida entre 1,3 e 1,7 MPa e uma temperatura compreendida entre 340 e 390°C, o segundo fluido de troca de calor apresenta, em uma entrada do quarto trocador de calor (43), uma pressão compreendida entre 0,1 e 0,5 MPa e uma temperatura compreendida entre 90 e 130°C.
6. DISPOSITIVO (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato que o primeiro fluido de troca de calor compreende propano.
7. DISPOSITIVO (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato que o segundo fluido de troca de calor compreende hexano.
8. DISPOSITIVO (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 5, caracterizado pelo fato que o quarto fluido de troca de calor compreende butano.
9. DISPOSITIVO (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato que o terceiro fluido de troca de calor compreende água.
10. DISPOSITIVO (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato que a turbina (11) e o gerador
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3. DISPOSITIVO (1), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato que o primeiro fluido de troca de calor apresenta, em uma entrada do terceiro trocador de calor (41), uma pressão compreendida entre 1,8 e 2,2 MPa e uma temperatura compreendida entre 220 e 270°C, e o primeiro fluido de troca de calor apresenta, em uma entrada do primeiro trocador de calor (17), uma pressão compreendida entre 0,2 e 0,6 MPa e uma temperatura compreendida entre 0 e 20°C.
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4/4 elétrico (13) apresentam, juntos, um rendimento elétrico superior a 60%.
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