BRPI1001104A2 - sistema de ciclo de rankine orgánico, substrato tratado na superfìcie e método de tratar uma superfìcie em ebulição - Google Patents

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Abstract

SISTEMA DE CICLO DE RANKINE ORGáNICO, SUBSTRATO TRATADO NA SUPERFìCIE E MéTODO DE TRATAR UMA SUPERFìCIE EM EBULIçãO E fornecido um sistema de ciclo de Rankine orgânico (10) para recuperar e utilizar o calor de refugo de uma fonte de calor de refugo usando um circuito fechado de um fluido de trabalho (14). O sistema de ciclo de Rankine cíclico (10) inclui pelo menos um evaporador (12). O evaporador (12) ainda inclui um substrato tratado na superfície (32) para promover a ebulição nucleada do fluido de trabalho (14), deste modo limitando a temperatura do fluido de trabalho (14) abaixo de uma temperatura predeterminada, O evaporador (12) é ainda configurado para vaporizar o fluido de trabalho (14)utilizando o calor de refugo da fonte de calor de refugo.

Description

"SISTEMA DE CICLO DE RANKINE ORGÂNICO, SUBSTRATO TRATADONA SUPERFÍCIE E MÉTODO DE TRATAR UMA SUPERFÍCIE EMEBULIÇÃO"
A invenção refere-se geralmente a um trocador de calor em umciclo de Rankine orgânico e mais particularmente a um trocador de calor comum substrato tratado na superfície para a eficácia aperfeiçoada do trocador decalor.
A maior parte dos sistemas de ciclo de Rankine orgânicos (ORC)são implantados como a readaptação das turbinas de gás em pequenas emédias escalas, para capturar uma energia adicional no topo de uma saída delinha de base de motor a partir de uma corrente de gases de combustãoquentes. Um fluido de trabalho usado nestes ciclos é tipicamente umhidrocarboneto com uma temperatura de ebulição ligeiramente acima datemperatura definida pela International Organization of Standardization (ISO)em pressão atmosférica. Devido à preocupação de que tais fluidos dehidrocarbonetos podem degradar se expostos diretamente a uma temperaturaelevada (~ 500°C) a corrente de escapamento da turbina de gás, um sistemade circuito de óleo térmico intermediária é geralmente usado para transportar ocalor do escapamento para a caldeira do ciclo de Rankine. O sistema decircuito de óleo térmico leva a um custo de investimento adicional que poderepresentar até um quarto do custo do ciclo completo. Além disso, aincorporação do sistema de circuito de óleo térmico leva a uma quedasignificativa do nível de temperatura da fonte de calor utilizável. Além disso, osistema de fluido intermediário e os trocadores de calor requerem umadiferença de temperatura mais elevada resultando no aumento do tamanho ediminuindo a eficácia total.
Portanto, um sistema ORC aperfeiçoado é desejável para abordaruma ou mais das questões acima mencionadas.Descrição Resumida
De acordo com uma modalidade da invenção, é fornecido umsistema de ciclo de Rankine orgânico para recuperar e utilizar o calor de refugode uma fonte de calor de refugo usando um circuito fechado de um fluido detrabalho. O sistema de ciclo de Rankine orgânico inclui pelo menos umevaporador. O evaporador ainda inclui um substrato tratado na superfície parapromover a ebulição nucleada do fluido de trabalho limitando a temperatura dofluido de trabalho abaixo de uma temperatura predeterminada. O evaporador éainda configurado para vaporizar o fluido de trabalho utilizando o calor derefugo de uma fonte de calor de refugo.
De acordo com outra modalidade da invenção, é fornecido umsubstrato tratado na superfície para promover a ebulição nucleada de um fluidode trabalho, deste modo limitando uma temperatura do fluido de trabalhoabaixo de uma temperatura predeterminada em um trocador de calor. Osubstrato tratado na superfície inclui múltiplas partículas ou fibras parapromover a formação de bolhas no fluido de trabalho e colocar em suspensãoem uma matriz. O substrato tratado na superfície ainda inclui um aglutinantetermicamente condutivo para aglutinar a pluralidade de partículas ou fibras.
Ainda de acordo com outra modalidade da invenção, é fornecidoum método de tratar uma superfície em ebulição de um trocador de calor parapromover a ebulição nucleada de um fluxo de fluido de trabalho através dotrocador de calor, deste modo limitando a temperatura do fluido de trabalhoabaixo de uma temperatura predeterminada. O método inclui preparar asuperfície do trocador de calor para uma ou mais não uηiformidades. O métodoainda inclui depositar uma camada de revestimento sobre a superfície dotrocador de calor.
Desenhos
Estes e outros aspectos, e vantagens da presente invenção serãomelhor compreendidos quando a seguinte descrição detalhada for lida comreferência aos desenhos em anexo em que caracteres semelhantesrepresentam partes semelhantes por todos os desenhos, sendo que:
A figura 1 é um diagrama de fluxo esquemático de uma modalidadede um sistema de ciclo de Rankine orgânico tendo um evaporador direto.
A figura 2 é uma vista em perspectiva de um tubo de trocador decalor com partes do tubo sendo desprendidas, ilustrando um substrato tratadona superfície de acordo com uma modalidade exemplar da invenção.
A figura 3 é um diagrama em bloco esquemático para gerar umasuperfície tratada sobre um lado em ebulição de um tubo de trocador de calor.
Descrição Detalhada
As técnicas atuais são geralmente dirigidas a um sistema de ciclode Rankine orgânico para recuperar e utilizar o calor de refugo de uma fonte decalor de refugo usando um circuito fechado de um fluido de trabalho. Emparticular, as modalidades do sistema de ciclo de Rankine orgânico incluem umtrocador de calor com um substrato tratado na superfície para promover aebulição nucleada de um fluido de trabalho, deste modo limitando umatemperatura do fluido de trabalho abaixo de uma temperatura predeterminada.A técnica atual também é dirigida a um método de tratar uma superfície emebulição de um trocador de calor para promover a ebulição nucleada de umfluxo de fluido de trabalho através do trocador de calor.
Quando introduzindo os elementos das várias modalidades dapresente invenção, os artigos "uma", "um", "o", e "dito" são pretendidos parasignificar que existem um ou mais dos elementos. Os termos"compreendendo", "incluindo" e "tendo" são pretendidos para serem inclusivose significam que pode haver elementos adicionais salvo os elementos listados.Os exemplos de parâmetros operacionais não são exclusivos de outrosparâmetros das modalidades descritas.A figura 1 é um diagrama de fluxo esquemático de umamodalidade exemplar de um sistema de ciclo de Rankine orgânico 10 pararecuperar e utilizar o calor de refugo de uma fonte de calor de refugo usandoum circuito fechado de um fluido de trabalho 14. O sistema 10 usa um fluido detrabalho de massa molecular elevada, orgânico, sendo que o fluido de trabalhopermite a recuperação de calor a partir de fontes de temperatura incluindo ascorrentes de gás de combustão de turbinas de gás. Em uma modalidade, osistema 10 pode incluir a recuperação de calor a partir de fontes detemperatura mais baixa tal como calor de refugo industrial, calor geotérmico,tanques solares, etc. O sistema 10 ainda converte o calor em temperaturabaixo em trabalho útil que pode ser ainda convertido em eletricidade. Isto éefetuado pelo uso de pelo menos uma turbina 16 para expandir o fluido detrabalho 14 de modo a produzir a energia de eixo e um fluido de trabalhoexpandido 22. A turbina 16 pode incluir uma turbina radial de dois estágios paraexpandir o fluido de trabalho 14. Durante a expansão do fluido de trabalho 14,uma parte significativa de energia térmica recuperável do evaporador direto 12é transformada em trabalho útil. A expansão do fluido de trabalho 14 na turbina16 resulta no decréscimo em temperatura e pressão do fluido de trabalho 14.
Além disso, o fluido de trabalho expandido 22 entra em umcondensador 18 para condensar por um fluido de resfriamento fluindo atravésdo condensador 18 de modo a produzir um fluido de trabalho condensado 24em uma pressão ainda mais baixa. Em uma modalidade, a condensação dofluido de trabalho expandido 22 pode ser realizada pelo fluxo de ar emtemperatura ambiente. O fluxo de ar em temperatura ambiente pode serrealizado usando um ventilador ou soprador resultando em uma queda detemperatura, que pode ser uma queda de aproximadamente 40 grauscentígrados. Em outra modalidade, o condensador 18 pode usar a água deresfriamento como um fluido de resfriamento. O condensador 18 pode incluiruma seção de trocador de calor típica tendo múltiplas passagens de tubo parao fluido de trabalho expandido 22 para passar através. Em uma modalidade,um ventilador motorizado é usado para soprar o ar ambiente através da seçãode troca de calor. Em tal processo, o calor latente do fluido de trabalhoexpandido 22 é preferencial e é transferido para o fluido de resfriamento usadono condensador 18. O fluido de trabalho expandido 22 é deste modocondensado para o fluido de trabalho condensado 24 que está em uma faselíquida em uma temperatura e pressão ainda mais baixas.
O fluido de trabalho condensado 24 é ainda bombeado a partir dapressão mais baixa para uma pressão mais alta por uma bomba 20. O fluido detrabalho pressurizado 26 pode então entrar em um evaporador direto ou caldeira12 e passar através de múltiplos tubos em comunicação fluida com o circuitofechado do fluido de trabalho 14 como ilustrado na figura 1. O evaporador direto12 pode incluir as passagens para os gases de escapamento a partir da fonte decalor de refugo para aquecer diretamente o fluido de trabalho pressurizado 26passando através de múltiplos tubos no evaporador direto 12.
O fluido de trabalho pressurizado 26 entrando no evaporadordireto 12 pode incluir um hidrocarboneto com uma temperatura de ponto deebulição baixa. As características termodinâmicas, tal como estabilidade emtemperatura elevada do fluido de trabalho 14 no evaporador direto 12 dosistema de ciclo de Rankine orgânico 10, podem ser difíceis de manter porquea temperatura do fluido de trabalho 14 pode ser exposta a uma temperatura delimiar rompida em uma superfície do trocador de calor nos tubos do evaporadordireto 12, resultando na decomposição térmica do fluido de trabalho 14. Emuma modalidade, o evaporador direto 12 ou o condensador 18 do sistema 10pode ser um trocador de calor típico usado em um ciclo de motor térmico.
A figura 2 mostra uma vista em perspectiva de um tubo deevaporador direto 30 com partes do tubo sendo desprendidas, ilustrando umsubstrato tratado na superfície 32 de acordo com uma modalidade exemplar dainvenção. O evaporador direto 12 da figura 1 pode incluir múltiplos tubos deevaporador direto 30. O substrato tratado na superfície 32 no tubo deevaporador direto 39 promove a ebulição nucleada do fluido de trabalho, destemodo limitando a temperatura do fluido de trabalho 14 (figura 1) abaixo de umatemperatura predeterminada. Assim, as temperaturas elevadas na superfícieem ebulição 38 das paredes do tubo do evaporador direto 12 são impedidaspelo uso do substrato tratado na superfície 32 para promover a nucleaçãonucleada com outras melhoras da circulação de calor do processo em ebuliçãoa fim de alcançar a melhor ebulição da superfície em ebulição 38 do tubo deevaporador direto 30. Deste modo, a técnica atual melhora a transferência decalor a partir da superfície aquecida do evaporador direto para o fluido detrabalho em ebulição 14. O fenômeno da ebulição nucleada pelo substratotratado na superfície 32 é discutido em detalhe abaixo.
Em uma modalidade, o substrato tratado na superfície 32 incluium revestimento 36 disposto sobre a superfície em ebulição 38 do tubo deevaporador direto 30 e usado para promover a ebulição nucleada de um fluidode trabalho, deste modo limitando uma temperatura do fluido de trabalhoabaixo da temperatura predeterminada no evaporador direto 12. Em umamodalidade, a temperatura predeterminada do fluido de trabalho 14 pode variarde cerca de 200°C a cerca de 300°C. O substrato tratado na superfície 32 podeincluir múltiplas partículas ou fibras 34 colocadas em suspensão em umamatriz. Em uma modalidade, o substrato tratado na superfície 32 também podeincluir múltiplas fibras colocadas em suspensão na matriz. Em operação, aspartículas ou fibras 34 atuam como sementes para a formação de bolhas,quando o fluido de trabalho deve ser evaporado. Isto leva a mais locais onde asbolhas de vapor são formadas ao mesmo tempo resultando em uma circulaçãode calor mais elevada, já que é sabido que a circulação de calor em um fluidoem que a troca de fases ocorre é até uma magnitude mais elevada do que atransferência de calor para um fluido por convecção. A circulação de calor maiselevada ajuda a resfriar a superfície do trocador de calor mais eficazmente queresulta em uma temperatura de equilíbrio mais baixa da superfície do trocadorde calor, uma vez que o coeficiente de transferência de calor sobre o ladoquente permanece quase o mesmo. Além disso, a circulação de calor aumentaligeiramente devido a um gradiente de temperatura mais elevada. As partículasde metal 34 atuando como sementes de evaporação também ajudam a rompera tensão de adesão das bolhas à superfície do trocador de calor, de modo queas bolhas de vapor dissolvem a partir da superfície, enquanto estão aindapequenas resultando em outro aumento da circulação de calor sobre o ladomais frio da parede do trocador de calor. Tais sementes de evaporação nãosomente promovem a ebulição nucleada, mas também melhoram oumedecimento da superfície comparada a uma superfície suave e deste modotendem a suprimir o início da ebulição do filme. O outro efeito benéfico depromover o desprendimento das bolhas de vapor da superfície em ebulição éque ele previne as bolhas de consolidar em um filme de vapor contínuo, quepode de outro modo reduzir grandemente a transferência de calor convectivo,uma vez que a transferência de calor por convecção em uma camada de vaporé uma magnitude mais baixa do que em um filme líquido.
Ao contrário, no caso de uma superfície em ebulição suave,existem somente alguns pontos de bolha e o início do crescimento de bolhasrequer um grande grau de superaquecimento devido à força compressiva detensão da superfície líquida em uma bolha muito pequena. O calor para ocrescimento de bolhas precisa ser transferido por convecção e condução dasuperfície em ebulição suave para a interface líquido-vapor distante de umabolha, que é quase completamente circundada pelo líquido do volume. Assim,pode ser dito que a superfície não uniforme da parede do trocador de calordevido à superfície tratada do substrato melhora a circulação de calor no ladode ebulição ou de evaporação levando a temperaturas de parede mais baixasdo trocador de calor ou do evaporador direto 12 da figura 1, que novamenteresulta em taxas de decomposição mais baixas do fluido de trabalho 14 do ORC.
Em uma modalidade, o tamanho das partículas pode variar de 1micrometro a 100 micrometros. O revestimento 36 ainda encoraja a separaçãodas bolhas de vapor da superfície em ebulição 38, deste modo aumentando aárea de superfície ativa da transferência de calor e, assim, resultando ainda emcirculação de calor mais elevada. O substrato tratado na superfície 32 tambéminclui um aglutinante termicamente condutivo para aglutinar as múltiplaspartículas ou fibras 34. Em outra modalidade, o aglutinante termicamentecondutivo compreende um material com alto teor de condutividade variando de1 W.m'1.K"1 a 300 W.m~1.K~1. Em ainda outra modalidade, as fibras 34 incluemos compostos de fibra de vidro, quartzo, cristais minerais e metálicos. Em aindaoutra modalidade, as fibras 34 podem incluir compostos cerâmicos.
Adicionalmente, em uma modalidade, o revestimento 36 podeincluir uma camada hidrofílica, cuja camada hidrofílica inclui ainda íonsimplantados. O implante de íons pode mudar a energia de superfície e destemodo influencia se a superfície é hidrofílica ou hidrofóbica. Em outramodalidade, os múltiplos íons podem incluir os íons baseados em nitrogênio.Os íons baseados em nitrogênio são uma ou mais classes mais comuns deíons com as quais uma superfície pode ser impregnada para promover aadesão de um líquido.
A figura 3 é um diagrama em bloco esquemático 40 ilustrandovárias modalidades para preparar uma superfície tratada 42 em uma superfícieem ebulição 38 de um tubo de evaporador direto 30 na figura 2. O diagrama embloco 40, ilustra primeiramente um método de tratar a superfície em ebulição38 do evaporador direto 12 (figura 1) para promover a ebulição nucleada de umfluxo de fluido de trabalho através do tubo de evaporador direto 30. Em umamodalidade, como representada pelo bloco 44, é mostrado um método depreparar a superfície do trocador de calor ou evaporador direto 12 para uma oumais não uniformidades. Em outra modalidade, como representada pelo bloco46, é mostrado um método para depositar um revestimento 36 como mostradona figura 2 sobre a superfície em ebulição 38 de um trocador de calor ou umtubo de evaporador direto 30. Em outra modalidade, o revestimento 38 podeser laminado sobre a superfície em ebulição 38 do tubo de evaporador direto30, onde o fluido de trabalho pressurizado é vaporizado. Em ainda outramodalidade, a preparação da superfície da parede do evaporador direto paraas não uniformidades pode incluir um cauterização como representado nobloco 48. Ainda em outra modalidade, a preparação da superfície da parede doevaporador direto para não uniformidades pode incluir a usinagem mecânicacomo mostrado no bloco 50. A usinagem mecânica inclui pelo menos um dosprocessos de rolamento, moagem, trituração ou rotação.
Em outra modalidade, o depósito do revestimento sobre asuperfície em ebulição 38 do trocador de calor ou do tubo de evaporador diretoinclui a aspersão de múltiplas partículas ou fibras sobre a superfície do20 trocador de calor como mostrado no bloco 52 da figura 3. Em uma modalidadeparticular, as múltiplas partículas 34, como mostrado na figura 2, podem incluirpartículas de metal. Ainda em outra modalidade, o depósito do revestimentosobre a superfície em ebulição 38 do trocador de calor ou do tubo deevaporador direto 30 inclui a sinterização como ilustrado no bloco 54 da figura3. Em uma modalidade particular, a sinterização 54 pode incluir o aquecimentodas partículas de metal abaixo de seu ponto de fusão até as partículas demetal aderir ou fundir uma com a outra. Em operação, as partículas ou fibras34 podem atuar como sementes para a ebulição nucleada de modo que muitopouco vapores são formados em vez de bolhas maiores. Este fenômeno resultaem circulação de calor aumentada sobre a parede do trocador de calor doevaporador direto 12.
Vantajosamente, a presente invenção introduz um substratotratado na superfície incluindo um revestimento ou superfície mecânica ou umasuperfície quimicamente tratada em um evaporador direto de um sistema deciclo de Rankine orgânico para eficácia de transferência de calor substancial apartir da superfície em ebulição ou de evaporação do trocador de calor para ofluido de trabalho 14. Assim, a temperatura da superfície em ebulição dotrocador de calor ou do evaporador direto 12 permanece relativamente maisbaixa impedindo a decomposição do fluido de trabalho14. A outra vantagem dapresente invenção é a limitação do sistema de laço termo-oleoso intermediário,que torna a presente invenção menos complexa e mais econômica. O custo doinvestimento no sistema ORC pode ser diminuído em um quarto dos custos deinvestimento total eliminando o sistema de laço de termo-oleoso intermediário.
Deve ser compreendido que não necessariamente todos estesobjetivos ou vantagens descritos acima podem ser obtidos de acordo comqualquer modalidade particular. Assim, por exemplo, os versados na técnicareconhecerão que os sistemas e técnicas presentemente descritos podem serincorporados ou realizados de um modo que obtenha ou aperfeiçoe umavantagem ou grupos de vantagem como ensinado presentemente semnecessariamente obter outros objetivos ou vantagens como pode ser ensinadoou sugerido presentemente.
Embora somente certos aspectos da invenção tenham sidopresentemente ilustrados e descritos, muitas modificações e trocas ocorrerãoaos versados na técnica. Portanto, deve ser compreendido que asreivindicações anexas são pretendidas para cobrir todas estas modificações etrocas como estando dentro do verdadeiro espírito da invenção.

Claims (10)

1. SISTEMA DE CICLO DE RANKINE ORGÂNICO (10), pararecuperar e utilizar o calor de refugo de uma fonte de calor de refugo usandoum circuito fechado de um fluido de trabalho (14), o sistema compreendendo:pelo menos um evaporador (12) compreendendo um substratotratado na superfície (32) para promover a ebulição nucleada do fluido detrabalho (14), deste modo limitando a temperatura do fluido de trabalho (14)abaixo de uma temperatura predeterminada, o evaporador (12) aindaconfigurado para vaporizar o fluido de trabalho (14) utilizando o calor de refugode uma fonte de calor de refugo.
2. SISTEMA (10), de acordo com a reivindicação 1, em que osubstrato tratado na superfície (32) compreende um revestimento (36) dispostosobre o lado em ebulição do evaporador (12), em que o revestimento (36)compreende ainda as partículas ou fibras para a formação de bolhas do fluidode trabalho no evaporador (12).
3. SISTEMA (10), de acordo com a reivindicação 1, em que osubstrato tratado na superfície (32) compreende ainda uma superfície não uniformepara a formação das bolhas do fluido de trabalho (14) no evaporador (12).
4. SISTEMA (10), de acordo com a reivindicação 2, em que orevestimento (36) compreende ainda uma camada hidrofílica, camadahidrofílica essa que compreende ainda uma pluralidade de íons baseados emnitrogênio.
5. SUBSTRATO TRATADO NA SUPERFÍCIE (32), parapromover a ebulição nucleada de um fluido de trabalho (14), deste modolimitando uma temperatura do fluido de trabalho (14) abaixo de umatemperatura predeterminada em um trocador de calor, o substrato tratado nasuperfície (32) compreendendo:uma pluralidade de partículas ou fibras (34) para promover aformação de bolhas no fluido de trabalho (14) e colocadas em suspensão emuma matriz, eum aglutinante termicamente condutivo para aglutinar apluralidade de partículas ou fibras.
6. SUBSTRATO TRATADO NA SUPERFÍCIE (32), de acordocom a reivindicação 5, em que o tamanho das partículas (34) varia de cerca de 1 μιτι a cerca de 100 μηη.
7. SUBSTRATO TRATADO NA SUPERFÍCIE (32), de acordocom a reivindicação 5, em que a temperatura predeterminada do fluido detrabalho (14) varia de cerca de 200°C a cerca de 300°C.
8. SUBSTRATO TRATADO NA SUPERFÍCIE (32), de acordocom a reivindicação 5, em que as fibras (34) compreendem os compostos defibra de vidro, quartzo, cristais minerais, metálicos ou cerâmicos.
9. MÉTODO (40) DE TRATAR UMA SUPERFÍCIE EMEBULIÇÃO (38), de um trocador de calor para promover a ebulição nucleadade um fluxo de fluido de trabalho através do trocador de calor, deste modolimitando a temperatura do fluido de trabalho (14) abaixo de uma temperaturapredeterminada, o método (40) compreendendo:preparar (44) a superfície do trocador de calor para uma ou maisnão uniformidades, em que a dita preparação da superfície do trocador de calorcompreende o cauterização; edepositar (46) uma camada de revestimento sobre a superfície dotrocador de calor, em que a dita deposição compreende a aspersão departículas de metal sobre a superfície em ebulição do trocador de calor esinterização.
10. MÉTODO (40), de acordo com a reivindicação 9, em que apreparação da superfície do trocador de calor compreende a usinagemmecânica.
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