BRPI0920949B1

BRPI0920949B1 - Turbina a gás para transformar energia térmica em trabalho mecânico

Info

Publication number: BRPI0920949B1
Application number: BRPI0920949-2A
Authority: BR
Inventors: Ole Bjorn Kleven
Original assignee: Ares Turbine As
Priority date: 2008-11-24
Filing date: 2009-11-24
Publication date: 2020-10-27
Also published as: CA2744474C; ZA201103845B; AU2009323069A1; EA201190014A1; WO2010064921A1; JP5394503B2; PE20120245A1; UA103346C2; US20110227346A1; EA020476B1; AP2011005748A0; CA2744474A1; EP2368031A1; EP2368031A4; CN102224332B; AP3165A; AU2009323069B2; JP2012510020A; NZ593624A; MX2011005355A

Abstract

TURBINA A GÁS PARA TRANSFORMAR ENERGIA TÉRMICA EM TRABALHO MECÂNICO. A inveção se refere a uma turbina a gás (10) para transformar energia térmica, por exemplo, a partir de carvão, biomassa ou similar, to trabalho mecânico, compreendendo uma unidade de compressor (11), uma unidade de turbina (13), uma câmara de combustão (15) e a trocador de calor (14) com sistema de tubo associado. A turbina a gás (10) é configurada de uma tal maneira que o calor seja fornecido para o fluxo de ar entre a unidade de compressor (11) e a unidade de turbina (13) por meio de gás residual quente a partir da câmara de combustão (15) e é levado para dentro de uma câmara de compressão (12) arranjada entre a unidade de compressor (11) e a unidade de turbina (13).

Description

Campo Técnico da Invenção

[001] A presente invenção se refere a um processo e uma instalação para utilização de combustível sólido ou particulado como uma fonte de energia para turbinas a gás sem primeiro ter que produzir vapor para produção de trabalho por meio do uso, por exemplo, de queima de refugo, combustão de carvão ou combustão de pelotas ou similares.

Descrição para a Invenção

[002] Durante os últimos anos, muitas soluções técnicas para transferir energia térmica em trabalho mecânico foram propostas. Uma vez que óleo até o presente era relativamente barato, a pesquisa e o desenvolvimento foram em geral focados no desenvolvimento de máquinas de energia térmica que usam óleo como fonte de energia. A situação atualmente é que o preço do óleo é muito mais alto que, por exemplo, a energia de biomassa.

[003] Várias soluções para converter energia térmica a partir de carvão, bioenergia e similar em trabalho mecânico foram propostas. As soluções propostas propõem o uso de turbinas de acionamento a vapor. Além do fato que tais instalações são grandes e complicadas com relação à saída de energia, as ditas soluções são soluções que funcionam bem.

[004] Se um veículo motorizado puder ser acionado por bioenergia, isto irá corresponder a um preço de petróleo de NOK 1,50 por litro. Durante os anos dei 940, foi prática comum acionar automóveis por meio de geradores a lenha, tal acionamento sendo baseado em um processo de pirólise. O WO 02/055855 revela um sistema de geração de energia compreendendo uma turbina a gás, em que o fluxo de ar entre a unidade de compressor e a unidade de turbina é aquecido por meio de um trocador de calor arranjado no combustor. De acordo com esta solução, o fluxo de ar a partir da unidade de compressor para a unidade de turbina é mantido separado do gás residual produzido na câmara de combustão, o ar expandido a partir da unidade de turbina sendo fornecido para a câmara de combustão. O trocador de calor de acordo com esta solução é um trocador de calor estacionário, o trocador de calor sendo formado de uma tal maneira que partes do trocador de calor durante tempo de inatividade tenham que ser retiradas pelo menos parcialmente para a remoção de depósitos de carvão e materiais residuais similares a partir das superfícies internas do trocador de calor. A FR 2916240 descreve um sistema para produção de energia, que aplica uma unidade de compressor e uma unidade de turbina, onde o fluxo de ar que abandona a unidade de compressor passa através de um trocador de calor regenerativo rotativo antes de entrar na unidade de turbina. Energia térmica é fornecida para o dito fluxo de ar no trocador de calor regenerativo rotativo por um fluxo contrário do gás residual quente proveniente de um combustor, inflamando material de biomass a.

Sumário da Invenção

[005] Um objetivo da presente invenção é o de prover uma turbina a gás em que a combustão possa ser realizada no fluxo de ar a jusante da turbina de trabalho e ainda acrescentar energia para o ar comprimido antes de ser expandido pela unidade de turbina de trabalho.

[006] Um segundo objetivo da presente invenção é melhorar a conversão de energia, reduzindo a exigência para tempo de inatividade devido a reparo, manutenção e limpeza das várias partes do sistema de turbina, incluindo o trocador de calor.

[007] Um terceiro objetivo da presente invenção é melhorar o desempenho, eficiência e vida útil de trabalho do trocador de calor empregado no sistema de turbina, também reduzindo possível tempo de inatividade devido a operações de manutenção e reparo.

[008] Um quarto objetivo da invenção é o de permitir a produção de trabalho mecânico e ainda evitar o efeito negativo de depósito de carvão quente ou gás residual contaminado com cinza sobre a unidade de turbina.

[009] Outro objetivo da invenção é o de tornar possível acionar um automóvel por meio de, por exemplo, biomassa na forma de pelotas ou carvão e prover uma turbina a gás completa de um tipo que tem uma relação de peso/efeito ultrapassando a mesma para um motor a gasolina convencional.

[0010] Ainda um outro objetivo da invenção é o de permitir a utilização de um combustível sólido ou particulado como uma fonte de energia para turbinas a gás sem ter que converter energia em vapor, como uma fase intermediária.

[0011] Ainda um outro objetivo da presente invenção é o de usar outras fontes de energia que não o óleo para a produção de energia móvel, por exemplo, para o acionamento de motores, veículos motorizados, etc.

[0012] A turbina a gás de acordo com a invenção compreende uma unidade de compressor e uma unidade de turbina girando em um eixo comum, uma câmara de combustão e um trocador de calor regenerativo rotativo, em que a combustão ocorre no fluxo de ar a jusante da unidade de turbina, ao fluxo de ar entre a unidade de compressor e a unidade de turbina sendo acrescentada energia térmica por um material sólido que é aquecido pelo gás residual quente a partir da combustão.

[0013] De acordo com a invenção, o sistema é preferivelmente configurado de uma tal maneira que os gases residuais não entrem em contato com a unidade de turbina, calor sendo introduzido em um processo contínuo, sem etapas, em um fluxo de gás mais frio, aquecendo assim tal fluxo de gás mais frio e então retornando a fonte de aquecimento para uma fonte térmica para o aquecimento renovado.

[0014] De acordo com a invenção, energia térmica pode ser levada para dentro do fluxo de ar entre a unidade de compressor e a unidade de turbina de uma maneira contínua e periódica usando um trocador de calor regenerativo rotativo, que é aquecido por meio de calor a partir da câmara de combustão, para ser introduzido dentro e fora de dito fluxo de ar entre a unidade de compressor e a unidade de turbina.

[0015] Uma vez que a combustão ocorre no fluxo de ar a jusante da unidade de turbina, e vez que o calor de combustão é trocado com o fluxo de ar comprimido entre a unidade de compressor e a unidade de turbina, as seguintes vantagens são obtidas em comparação com as técnicas da arte anterior, em que a combustão é diretamente realizada na câmara de combustão entre a unidade de compressor e a unidade de turbina: - calor residual no fluxo de ar a jusante da unidade de turbina está formando uma parte do processo de combustão e uma menor porção do calor é perdida no gás residual. - Combustível que forma depósitos de cinza e carvão pode ser usado. Partículas de depósitos de carvão e cinza não entram em contato com um rotor de turbina. Isto é de grande importância, uma vez que um rotor de turbina gira a velocidades de rotação até a velocidade do som. Uma partícula de depósito de carvão que se choca contra um rotor de turbina a tal alta velocidade irá causar dano severo à dita parte de turbina. Em adição, deve ser apreciado que os depósitos de carvão e partículas de cinza têm um efeito erosivo e prejudicial sobre o rotor de turbina. - a combustão ocorre à pressão mais ou menos atmosférica. A combustão em tal baixa pressão causa menores volumes de NOX que a combustão a altas pressões em uma câmara de combustão entre a unidade de compressor e a unidade de turbina. - Uma outra vantagem é que o trocador de calor principal é autolimpante e, em adição, pode ser feito mais compacto e substancialmente menor em tamanho que os sistemas da arte anterior. Isto implica que uma unidade não tem que ser limpo tão frequentemente quanto as soluções convencionais.

[0016] Um trocador de calor regenerativo tem uma superfície muito grande em comparação com o volume do trocador de calor (até 6000 m2 por m3) e correspondentemente proverá uma solução mais compacta e efetiva.

[0017] De acordo com a presente invenção, s superfícies do trocador de calor podem ser de um tipo catalítico, tais superfícies sendo revestidas, por exemplo, com uma camada de platina.

[0018] Os objetivos podem ser alcançados pela introdução de uma linha de derivação arranjada entre a saída da unidade de compressor e a entrada de pelo menos um trocador de calor regenerativo, derivando a câmara de combustão, permitindo que uma parte do ar comprimido proveniente do compressor derive a câmara de combustão.

[0019] De acordo com uma modalidade da invenção, a dita derivação de ar sendo projetada para esfriar a superfície externa do lado de gás residual do pelo menos um trocador de calor. A válvula de controle pode preferivelmente ser arranjada a montante da câmara de combustão, direcionando pelo menos parte do ar comprimido para a câmara de combustão.

[0020] Ainda, o trocador de calor pode ser configurado de uma tal maneira que seja permitido que uma parte do ar comprimido proveniente do compressor esfrie pelo menos a superfície externa do lado de gás residual do pelo menos um trocador de calor regenerativo.

[0021] De acordo com uma outra modalidade da invenção, dois ou mais trocadores de calor regenerativos que recebem ar proveniente do compressor e calor a partir da câmara de combustão podem ser usados, tais dois ou mais trocadores de calor preferivelmente sendo arranjados em paralelo.

[0022] O dito pelo menos um trocador de calor pode ser provido com um número de dutos separados arranjados paralelos à direção principal de fluxo de ar, e que é configurado de uma tal maneira que partes dos dutos em qualquer momento fiquem situadas no fluxo de ar entre a unidade de compressor e a unidade de turbina para aquecer o fluxo de ar, e que a parte restante dos dutos fica situada no fluxo de gás residual a partir da câmara de combustão e é assim aquecida. Os eixos longitudinais dos dutos são oblíquos com relação ao eixo geométrico de rotação do pelo menos um trocador de calor regenerativo.

[0023] De acordo com uma outra modalidade da invenção, uma parte das aberturas para a entrada de ar comprimido através do pelo menos um trocador de calor rotativo é algo rotacionalmente deslocado com relação às saídas a montante da unidade de turbina, de forma que uma parte do fluxo de ar comprimido seja direcionada para o fluxo de ar a partir da câmara de combustão, assim, como uma consequência deste fluxo de limpeza, limpando os dutos do pelo menos um trocador de calor regenerativo para partículas.

[0024] De acordo com ainda uma outra modalidade da invenção, o trabalho produzido pela turbina é tomado como energia elétrica via um gerador; e a energia elétrica é produzida pela unidade de compressor, cujo rotor funciona como um gerador que gera eletricidade e que a unidade de estator é arranjada em torno da unidade de compressor, tal unidade de estator compreendendo uma ou mais bobinas. Em tal caso, o rotor da unidade de compressor pode preferivelmente ser permanentemente magnetizada. O rotor da unidade de compressor (11) é magnetizada por meio de um campo magnético externo.

[0025] Uma vantagem adicional de acordo com a presente invenção é que o trocador de calor pode ser mais ou menos continuamente limo de uma maneira a remover possíveis depósitos de carvão ou depósitos de cinza sobre as superfícies de troca calor do trocador de calor regenerativo sem ter que fechar a instalação.

Breve Descrição dos Desenhos

[0026] Modalidades da invenção devem ser agora descritas em mais detalhe, com referência aos desenhos, onde: a figura 1 mostra esquematicamente e muito simplificado um esboço do princípio aplicado de acordo com a presente invenção; a figura 2 mostra esquematicamente e muito simplificada uma modalidade onde um trocador de calor regenerativo rotativo é usado; a figura 3 mostra esquematicamente e muito simplificado um trocador de calor regenerativo rotativo de acordo com a presente invenção; a figura 4 mostra esquematicamente e muito simplificada uma modalidade tendo combustão externa; a figura 5 mostra esquematicamente uma possível modalidade de um trocador de calor regenerativo rotativo de acordo com a presente invenção; a figura 6 mostra esquematicamente uma seção vertical através do trocador de calor mostrado na figura 5, visto ao longo da linha 6-6, a figura 7 mostra uma modalidade alternativa da invenção, a unidade de compressor sendo formada como um ímã permanente e onde o sistema de bobina é arranjado em torno da unidade de compressor, a unidade de compressor funcionando assim como um gerador para gerar eletricidade; as figuras 8 e 9 mostram uma modalidade alternativa da presente invenção, em que parte do ar comprimido a partir da unidade de compressor pode by-pass a câmara de combustão; e as figuras 10 e 11 mostram uma solução de derivação como mostrada nas figuras 8 e 9, compreendendo dois trocadores de calor regenerativos rotativos de acordo com a presente invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

[0027] A figura 1 mostra esquematicamente e muito simplificado um esboço do princípio aplicado de acordo com a presente invenção. A turbina a gás 10 compreende uma unidade de compressor 11, empregada para comprimir ar desde uma pressão pi de 1 bar para uma pressão p2 de 2 bar, enquanto a temperatura, como uma consequência da compressão, é aumentada de Ti = 20°C para uma temperatura de T2 = 200°C. Através da unidade de compressor, a velocidade de ar diminui de vi = 1 m/s para uma velocidade de V2 = 0,86 m/s. Na câmara de compressão 12 entre a unidade de compressor 11 e a unidade de turbina 13 da turbina 10, o gás comprimido é aquecido ainda mais por meio de um trocador de calor regenerativo 14 para uma temperatura de T2 = 800°C, enquanto a pressão é mantida a uma pressão de p3 = 2 bar. A velocidade do ar é aumentada devido ao aquecimento para V3 = 1, 83 m/s. Então, o gás comprimido e aquecido é direcionado para a unidade de turbina 13 onde o ar é expandido para uma pressão de p4 = 1 bar e onde a temperatura é reduzido para T4 = 50°C, enquanto a velocidade é aumentada para V4 = 2,64 m/s.

[0028] O ar expandido é então direcionado para a câmara de combustão 15 onde o ar expandido contribui para a combustão de, por exemplo, combustível sólido ou particulado, tal como lixo ou biomassa, como pelotas ou similares. A câmara de combustão 15 é, para esta finalidade, formada com dutos de entrada (não mostrados) para 0 fornecimento do combustível e meios para remover cinzas (não mostrados). Na saída da câmara de combustão 15, a temperatura T5 = 900°C, enquanto a pressão ainda é ps = 1 bar. A velocidade aumentou agora para vs = 4 m/s. O ar aquecido é direcionado para depois desta parte B do trocador de calor regenerativo, que, em qualquer momento, está situado dentro da câmara de combustão 15. Tal parte B se tornará a parte re-aquecida e é reposicionada na posição A dentro da câmara de compressor 12. O ar que é re-aquecido em dita parte de trocador de calor regenerativo B consiste de uma mistura de ar e gases residuais a partir da combustão.

[0029] Quando este gás residual abandona a parte de trocador de calor regenerativo B, a pressão p6 é ainda p6 = 1 bar, enquanto a temperatura é reduzida para To = 300°C. A velocidade é agora reduzida para V6 = 0,86 m/s.

[0030] A eficiência teórica para esta modalidade é η = l-Tg/Ts = 1- 573°K/1073°K = 46%.

[0031] A unidade de compressor 11 é acionada de uma maneira convencional pela unidade de turbina 13 através de um eixo comum 17.

[0032] Para a solução de acordo com a figura 1, partículas de depósitos de carvão do gás de combustão não entrarão em contato com partes móveis da unidade de turbina 13. Ainda, será possível explorar o calor residual no ar a partir da unidade de turbina 13 na medida em que o calor residual conjuntamente com o calor de combustão são direcionados de volta para a montante da unidade de turbina 13 para aquecer o ar comprimido Na câmara de compressão 12. Isto é obtido por permitir que o material sólido seja aquecido em uma posição B, ou seja, dentro da câmara de combustão, e na medida em que a energia térmica no material sólido então é transferida para o ar comprimido na posição A, ou seja, na câmara de compressão 12. De acordo com esta solução, é possível usar combustível em forma sólida ou em forma particulada, tal como lascas de madeira, carvão, biopelotas, sem causar dano na unidade de turbina 13.

[0033] A figura 2 mostra esquematicamente a solução onde a diferença principal reside na medida em que um trocador de calor regenerativo rotativo 16 é usado como um trocador de calor regenerativo A, B. A construção e função de dito trocador de calor regenerativo rotativo 15 serão descritas em maior detalhe com relação à figura 3 abaixo.

[0034] A figura 3 mostra esquematicamente e muito simplificada uma modalidade de um trocador de calor regenerativo rotativo 16. O dito trocador de calor 16 pode compreender duas coberturas de extremidade 17 tendo aberturas e uma camisa circundante impermeável a gás 18, circundando os elementos de troca de calor (não mostrados). Os elementos de troca de calor compreendem um grande número de dutos paralelos, os quais, por exemplo, podem ter um formato tubular com uma seção transversal circular, hexagonal ou poligonal. Se tubos tendo um formato de seção transversal circular forem usados, o material nas paredes de tubo será aquecido em ambos os lados da parede de tubo, pelo que a quantidade de calor coletada na câmara de combustão, e assim a quantidade de calor fornecido à câmara de compressão, irá aumentar.

[0035] Como indicado na figura 3, gás quente aquecido, contaminado, está escoando a partir da câmara de combustão 15 através da uma metade do trocador de calor regenerativo rotativo 16, aquecendo esta parte, ao passo que o gás residual esfriado é emitido para a atmosfera. Vez que o trocador de calor regenerativo 16 gira, nesta modalidade mostrada no sentido anti-horário, novas partes da metade aquecida do trocador de calor regenerativo entrarão sucessivamente na câmara de compressão 12 e assim para dentro do fluxo de ar comprimido a partir da unidade de compressor 11 da turbina 10, Assim, o fluxo de ar é aquecido antes de o fluxo de ar ser alimentado à câmara de combustão 15, enquanto a parte do trocador de calor regenerativo rotativo será correspondentemente sucessivamente resfriada. Assim, o processo será de um ciclo contínuo de duas etapas.

[0036] Como indicado na figura 3, as aberturas 18 em uma cobertura de extremidade 17 para o suprimento de ar fresco proveniente do compressor 11 e, correspondentemente, a saída 18 para gás residual, serão rotacionalmente deslocadas em relação à abertura correspondente em uma cobertura de extremidade 17 na extremidade oposta do trocador de calor regenerativo rotativo 16. Como indicado na figura 3, esta característica permite que o ar limpo, comprimido, seja retro-lavado através dos tubos marcados com 25, na medida em que parte que, em qualquer momento durante o ciclo de rotação, entra primeiro na câmara de compressão 12, de forma que quaisquer partículas de depósitos de carvão partículas, possivelmente presentes, sejam removidas antes de possivelmente entrarem na câmara de compressão 12. Assim, os riscos de causar dano às partes de turbina são reduzidos. As setas na figura 3 mostram a direção de fluxo e rotação.

[0037] A figura 4 mostra esquematicamente uma turbina a gás com combustão interna, provida com um trocador de calor regenerativo arranjado entre a câmara de compressão 12 e a jusante da câmara de combustão 15. De acordo com esta solução, o ar comprimido na câmara de compressão, arranjada entre a unidade de compressor 11 e a unidade de turbina 12, é aquecido por meio do trocador de calor regenerativo 14. O trocador de calor 14 coleta calor a partir do gás residual e das chamas na câmara de combustão 15 e funciona da mesma maneira como descrito acima. Pelo aquecimento de um material sólido por meio de um gás de combustão interna na posição B e então transporte de dito material sólido para dentro da câmara de compressão 12, calor é transferido para o ar fresco comprimido na posição A. O material sólido quente 14 emite calor na posição A para o ar comprimido a partir da unidade de compressor 11, depois do que o material sólido 14 é transportado de volta para a posição B onde o material sólido é re-aquecido por novo calor a partir da combustão. Este processo é contínuo na medida em que várias massas sólidas são incorporadas no transporte de calor entre as posições B e A. As vantagens obtidas por esta solução residem no fato de que a combustão ocorre completamente independente do fluxo de ar da turbina. Partículas e depósitos de carvão dos gases de combustão não entrarão em contato com as partes móveis da turbina. Em particular, mas não exclusivamente, esta solução é apropriada para ser usada para a exploração de calor de combustão a partir de, por exemplo, instalações de incineração de lixo. Deve ser notado que o aquecimento e esfriamento regenerativo, ou seja, alternativo, de um material, é um princípio de transferência de calor muito mais eficiente que a transferência de calor por meio de um trocador de calor condutivo. Pelo emprego de um tal trocador de calor regenerativo, é possível reduzir o peso, volume e frequência de manutenção em comparação com outros trocadores de calor da arte anterior, sem reduzir o efeito de saída e a capacidade de transferência de calor do sistema. A figura 5 mostra esquematicamente, parcialmente em seção, uma vista horizontal através de um trocador de calor regenerativo rotativo 16 de acordo com a invenção. O trocador de calor regenerativo rotativo 16 tem, como indicado na figura 6, uma área de seção transversal circular. Ainda, o trocador de calor é provido com um eixo 18 configurado para ser suportado por mancais (não mostrados) de forma que uma parte do trocador de calor em qualquer momento esteja situada dentro da câmara de combustão 15 onde o trocador de calor rotativo 16 é aquecido e onde a outra parte estando situada na câmara de compressão 12 onde o trocador de calor rotativo 16 fornece calor para o gás comprimido antes de tal parte entrar na unidade de turbina 13. Vez que o trocador de calor 16 gira, novo calor a partir da câmara de combustão 15 irá ser continuamente fornecido para a câmara de compressão 12.

[0038] Ainda, o trocador de calor regenerativo rotativo 16 é definido por um corpo cilíndrico 19, o qual, em cada extremidade, é terminado por uma placa de extremidade mais ou menos aberta 10. Internamente, o trocador de calor 16 é provido com um grande número de dutos abertos, longitudinalmente arranjados, os quais permitem que o fluido escoe através dos dutos, mas impede um fluxo de gás na direção lateral. Os dutos podem preferivelmente ter uma seção circular de forma que gás possa escoar através dos dutos 21 e externamente nas células de estrela estabelecidas entre tubos adjacentes 21. Deve ser notado, todavia, que os tubos podem ter qualquer formato de seção transversal apropriado, tal como formato de seção transversal triangular, quadrado ou poligonal. A figura 6 mostra uma seção vertical através do trocador de calor 16, mostrado na figura 5, visto ao longo da linha 6-6 na figura 5. Como mostrado na figura 6, o trocador de calor 16 é provido com paredes 22 que formam setores internos. De acordo com a modalidade mostrada nas figuras 5 e 6, um número muito grande de elementos de tubo retos, paralelos, cilíndricos, é usado para o transporte do gás residual quente a partir da câmara de combustão através do trocador de calor regenerativo rotativo. Deve ser notado, todavia, que os ditos elementos de tubo podem ser na forma de dutos tendo formato triangular, quadrado ou poligonal, sem assim se desviar da idéia inventiva. Os dutos podem também ter um formato corrugado que corresponde ao formato usado em painéis de papelão corrugado. De acordo com a modalidade mostrada nas figuras 5 e 6, o gás residual escoará tanto internamente através dos dutos ou tubos cilíndricos quanto através dos dutos formados pelas paredes de dutos adjacentemente arranjados. A finalidade das chicanas 22 é estabilizar os feixes de tubos ou dutos. Em conexão com isto, deve ser notado, todavia, que o uso de tais chicanas não é obrigatório, embora tais paredes contribuam para a rigidez da parede circunferencial 19 circundando os elementos de tubo 21. Ainda, deve ser notado que a presente invenção não é limitada ao uso de quatro chicanas.

[0039] A figura 7 mostra uma modalidade alternativa da presente invenção. Principalmente, esta modalidade corresponde à modalidade descrita com relação à modalidade exposta na figura 1. A única diferença maior é, em princípio, que a unidade de compressor 11 é formada como um ímã permanente tendo um pólo norte e um pólo sul, e que uma ou mais bobinas tendo um núcleo magnético 24 para gerar eletricidade através de rotação da unidade de compressor 11 são arranjadas em torno da unidade de compressor rotativa 11. As ditas bobinas funcionam como estator. Deve ser apreciado que a dita solução é mostrada de uma maneira esquemática e detalhes não são mostrados.

[0040] A figura 8 mostra uma modalidade onde uma diferença principal em comparação com as modalidades mostradas acima reside em que o sistema é provido com uma derivação 23. De outra maneira, a modalidade mostrada na figura 8 corresponde à modalidade exposta na figura 1. A figura 9 mostra uma modalidade relacionada ao uso de um trocador de calor regenerativo rotativo 16. A modalidade mostrada na figura 9 corresponde à modalidade mostrada na figura 2, à parte para a introdução da linha de derivação 23.

[0041] Experimentos têm mostrado que a temperatura do lado de gás residual do trocador de calor regenerativo rotativo 16 torna-se excessivamente alta devido ao gás de alta temperatura produzido pela câmara de combustão 15, causando a fusão de pelo menos partes do trocador de calor 16. A fim de reduzir tal temperatura excessivamente alta do trocador de calor 16, uma parte de ar comprimido é permitida que passe para fora da câmara de combustor 15, e é então direcionada para dentro do trocador de calor regenerativo 14, do trocador de calor regenerativo rotativo 16, conjuntamente com gás quente a partir da câmara de combustão 15. O gás que está derivando a câmara de combustão 15 é permitido que escoe ao longo de um exterior do trocador de calor regenerativo, resfriando assim o dito trocador de calor, por exemplo, para 600°C. A fim de ser capaz de controlar a temperatura do trocador de calor 14,16, uma válvula/flap 24 de um tipo apropriado pode ser provida, regulando a quantidade de ar comprimido com uma temperatura mais baixa derivando a câmara de combustão 15, garantindo assim que a temperatura no lado de combustão do trocador de calor 14,16 permaneça dentro de faixas seguras admissíveis. Tal área de trabalho segura é na ordem de 900-1000 °C. A quantidade de ar a partir da unidade de compressor 13 derivando a câmara de combustão 15 está dentro da faixa 30-50% da quantidade total, preferivelmente em torno de 45% da quantidade total fornecida pelo compressor.

[0042] Deve se apreciado que para aumentar a temperatura admissível, sob a qual o trocador de calor 16 é permitido que trabalhe, as superfícies de troca de calor do trocador de calor regenerativo de acordo com a presente invenção podem ser revestidas com um revestimento catalítico, tal como, por exemplo, um revestimento de platina. O material do trocador de calor pode preferivelmente ser uma liga de aço-Ni que resiste a alta temperatura.

[0043] As figuras 10 e 11 mostram uma modalidade alternativa da modalidade mostrada na figura 9, a única diferença sendo que duas modalidades regenerativas rotativas são mostradas ao invés de uma. O sistema de acordo com essas figuras também inclui uma válvula e uma linha de derivação para as mesmas finalidades, como indicado acima.

[0044] Embora as figuras Well mostrem uma modalidade baseada em dois trocadores de calor regenerativo rotativo em paralelo, deve se apreciado que o dito número pode ser maior, ou seja, três ou mais. Deve ser notado que a cobertura de extremidade na extremidade dianteira e traseira do trocador de calor, devido às altas temperaturas variáveis, parecerá que o trocador de calor causa expansão por temperatura e fluência na estrutura. A fim de compensar tais alterações em dimensões devidas à expansão, as ditas placas podem ser providas com um meio de expansão que permite alteração das dimensões devida à temperatura variável.

[0045] Deve ser também apreciado que o eixo do dito trocador de calor regenerativo rotativo pode ser resfriado de forma a manter uma temperatura aceitável no eixo, evitando mancais e construção complicados.

[0046] De acordo com as modalidades mostradas, os dutos 21 que formam uma parte integral do trocador de calor regenerativo rotativo 16 são arranjados em paralelo com o eixo geométrico de rotação do trocador de calor. Deve ser apreciado, todavia, que os eixos dos dutos 21 do trocador de calor podem formar um ângulo com o eixo geométrico de rotação do trocador de calor. Ainda, a temperatura de saída dos trocadores de calor regenerativos pode preferivelmente ser na ordem de aproximadamente 200°C.

[0047] Ainda, experimentos têm mostrado que a turbina pode girar com uma velocidade de rotação próxima à velocidade do som, por exemplo, com 120.000 r.p.m. Deve ser também apreciado que, de acordo com a presente invenção, o trocador de calor regenerativo é arranjado na vizinhança próxima da turbina, pelo que a alta velocidade de rotação da turbina causa vibrações de frequência alta ou ultra alta no trocador de calor, prevenindo assim ou pelo menos parcialmente impedindo que os depósitos de carvão se fixem nas paredes de duto, melhorando a vida útil de serviço do sistema.

Claims

1. Turbina a gás (10) para transformar energia térmica em trabalho mecânico, a energia térmica sendo, por exemplo, a partir de carvão, biomassa ou similar, compreendendo uma unidade de compressor (11), uma unidade de turbina (13) rotacionando em um eixo comum; pelo menos um trocador de calor (16) rotativo regenerativo arranjado entre a saída da unidade de compressor (11) e a entrada para a unidade de turbina (13), uma câmara de combustão (15) e um sistema de tubo associado, o trocador de calor regenerativo fornecendo calor ao fluxo de ar da unidade de compressor (11) para a unidade de turbina (13) por meio de gás residual quente da câmara de combustão (15), o trocador de calor regenerativo rotativo preferivelmente sendo dividido em uma pluralidade de compartimentos em forma de setor por meio de paredes radiais (22), e a turbina de gás (10) também compreendendo uma linha de derivação (23), derivando a câmara de combustão; em que o trocador de calor regenerativo rotativo é configurado para rotacionar em uma maneira contínua, sem etapas, que o trocador de calor regenerativo compreende um número grande de elementos de duto separados paralelos (21) abertos em ambas as extremidades, paralelas ou inclinadas com o eixo geométrico de rotação do trocador de calor regenerativo rotativo e configurado para permitir um fluxo bidirecional separado através do trocador de calor regenerativo rotativo, caracterizada pelo fato de que a linha de derivação (23) é arranjada entre a saída da unidade de compressor (13) e a entrada de pelo menos um trocador de calor regenerativo (16), derivando a câmara de combustão, permitindo que uma parte do ar comprimido proveniente do compressor derive a câmara de combustão (15) e que seja direcionada para o trocador de calor regenerativo rotativo e para o gás quente proveniente da câmara de combustão (15); em que o ar expandido proveniente da unidade de turbina (13) é fornecido para a câmara de combustão (15).

2. Turbina a gás (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que uma válvula de controle é arranjada a montante da câmara de combustão (15), direcionando pelo menos parte do ar comprimido para a câmara de combustão (15).

3. Turbina a gás (10), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que as superfícies internas expostas ao calor do trocador de calor regenerativo rotativo (16) são revestidas com um revestimento catalítico, tal como, por exemplo, um revestimento de platina.

4. Turbina a gás (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que o pelo menos um trocador de calor (16) é provido com um número de dutos separados (21) arranjados paralelos à direção principal de fluxo de ar, e que é configurado de uma tal maneira que partes dos dutos (21) em qualquer momento ficam situadas no fluxo de ar entre a unidade de compressor (11) e a unidade de turbina (13) para aquecer o fluxo de ar, e que a parte restante dos dutos (21) fica situada no fluxo de gás residual proveniente da câmara de combustão (15) e é assim aquecida.

5. Turbina a gás (10), de acordo com reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que os eixos longitudinais de dutos (21) são oblíquos com relação ao eixo geométrico de rotação do pelo menos um trocador de calor regenerativo (16).

6. Turbina a gás (10), de acordo com reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a parte das aberturas para a entrada de ar comprimido através do pelo menos um trocador de calor rotativo (16) é algo rotacionalmente deslocado com relação às saídas a montante da unidade de turbina (13), de forma que uma parte do fluxo de ar comprimido seja direcionada para o fluxo de ar a partir da câmara de combustão (15), assim, como uma consequência deste fluxo de lavagem, limpando os dutos (21) do pelo menos um trocador de calor regenerativo (16) para partículas.

7. Turbina a gás (10), de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de que a energia elétrica é produzida pela unidade de compressor (11), cujo rotor funciona como um gerador que gera eletricidade e que a unidade de estator (24) é arranjada em torno da unidade de compressor (11), tal unidade de estator (24) compreendendo uma ou mais bobinas.

8. Turbina a gás (10), de acordo com reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o rotor da unidade de compressor (11) é permanentemente magnetizada.

9. Turbina a gás (10), de acordo com reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que o rotor da unidade de compressor (11) é magnetizada por meio de um campo magnético externo.