IT202300006051A1 - DEVICE FOR CONTINUOUS OIL SEPARATION IN AN ORGANIC RANKINE CYCLE PLANT - Google Patents
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Description
DISPOSITIVO PER LA SEPARAZIONE CONTINUA DI OLIO DEVICE FOR CONTINUOUS OIL SEPARATION
IN UN IMPIANTO A CICLO RANKINE ORGANICO IN AN ORGANIC RANKINE CYCLE PLANT
DESCRIZIONE DESCRIPTION
Settore tecnico dell?invenzione Technical sector of the invention
La presente invenzione ? relativa ad un dispositivo per la separazione continua di olio in un impianto a ciclo Rankine organico. The present invention relates to a device for the continuous separation of oil in an organic Rankine cycle plant.
Tecnica nota Known technique
Com?? noto, si definisce ciclo termodinamico una successione finita di trasformazioni termodinamiche (ad esempio isoterme, isocore, isobare o adiabatiche) al termine delle quali il sistema torna al suo stato iniziale. As is known, a thermodynamic cycle is defined as a finite succession of thermodynamic transformations (for example isothermal, isochore, isobaric or adiabatic) at the end of which the system returns to its initial state.
Tale ciclo pu? essere diretto, ad esempio un ciclo Rankine diretto, in cui una sorgente termica ? utilizzata per la produzione di energia meccanica/elettrica e calore a temperatura inferiore rispetto a quella della sorgente termica; il ciclo termodinamico pu? altres? essere inverso, in cui l?energia elettrica/meccanica ? utilizzata per trasferire calore da una sorgente a temperatura minore ad una a temperatura maggiore. This cycle can be direct, for example a direct Rankine cycle, in which a thermal source is used to produce mechanical/electrical energy and heat at a lower temperature than that of the thermal source; the thermodynamic cycle can also be inverse, in which the electrical/mechanical energy is used to transfer heat from a source at a lower temperature to one at a higher temperature.
Nel caso di cicli diretti, un ciclo Rankine ideale ? un ciclo termodinamico composto da due trasformazioni adiabatiche e due isobare. Nel caso di ciclo diretto, il suo scopo ? quello di trasformare il calore in lavoro. Questo ciclo ? in genere adottato soprattutto nelle centrali termoelettriche per la produzione di energia elettrica ed utilizza come fluido motore l'acqua, sia in forma liquida che sotto forma di vapore, con la cosiddetta turbina a vapore. In the case of direct cycles, an ideal Rankine cycle is a thermodynamic cycle composed of two adiabatic and two isobaric transformations. In the case of a direct cycle, its purpose is to transform heat into work. This cycle is generally adopted especially in thermoelectric power plants for the production of electrical energy and uses water as the driving fluid, both in liquid form and in the form of steam, with the so-called steam turbine.
Pi? specificamente, sono stati ipotizzati e realizzati cicli Rankine organici (ORC) che utilizzano fluidi organici ad alta massa molecolare per le applicazioni pi? diverse, in particolare anche per lo sfruttamento di sorgenti termiche a bassa-media entalpia. Come in altri cicli a vapore, l?impianto 100 per un ciclo ORC (con riferimento alla figura 1) comprende una o pi? pompe 110 per l?alimentazione del fluido organico di lavoro, almeno uno scambiatore di calore 120 (anche detto preriscaldatore o evaporatore, a seconda della funzione espletata) per realizzare le fasi di preriscaldamento, vaporizzazione ed eventuale surriscaldamento o di riscaldamento in condizioni supercritiche del medesimo fluido di lavoro, una turbina 130 per l?espansione del fluido, meccanicamente connessa ad un generatore elettrico 140, un condensatore 150 che riporta il fluido organico di lavoro allo stato liquido. More specifically, organic Rankine cycles (ORC) have been hypothesized and implemented that use high molecular mass organic fluids for the most diverse applications, in particular for the exploitation of low-medium enthalpy thermal sources. As in other steam cycles, the system 100 for an ORC cycle (with reference to figure 1) comprises one or more pumps 110 for feeding the organic working fluid, at least one heat exchanger 120 (also called preheater or evaporator, depending on the function performed) for carrying out the preheating, vaporization and possible superheating or heating phases in supercritical conditions of the same working fluid, a turbine 130 for the expansion of the fluid, mechanically connected to an electric generator 140, a condenser 150 that returns the organic working fluid to the liquid state.
? altres? noto che nei cicli ORC l?utilizzo di fluidi organici ad alta massa molecolare comporta molto spesso la necessit? di introdurre a valle della turbina e a monte del condensatore un ulteriore scambiatore di calore detto ?rigeneratore? 160 o ?recuperatore? che recupera buona parte del calore sensibile del vapore di fluido organico a bassa pressione, calore che viene utilizzato per preriscaldare il fluido organico di lavoro in fase liquida a valle della pompa di alimentazione del ciclo e a monte del preriscaldatore. ? It is also known that in ORC cycles the use of high molecular mass organic fluids very often involves the need to introduce downstream of the turbine and upstream of the condenser an additional heat exchanger called a ?regenerator? 160 or ?recuperator? which recovers a good part of the sensible heat of the low pressure organic fluid vapor, heat which is used to preheat the organic working fluid in the liquid phase downstream of the cycle feed pump and upstream of the preheater.
Il ciclo prevede, quindi, organi rotanti per la conversione dell?entalpia del fluido di lavoro in lavoro meccanico, cio? la turbina, e in genere anche per il trasporto del fluido liquido dal condensatore al circuito di scambio termico con la sorgente calda, cio? la pompa. The cycle therefore includes rotating parts for the conversion of the enthalpy of the working fluid into mechanical work, i.e. the turbine, and generally also for the transport of the liquid fluid from the condenser to the heat exchange circuit with the hot source, i.e. the pump.
L?impianto ORC funziona con delle pressioni diverse da quella ambiente: per impedire la contaminazione del fluido in ambiente, e viceversa, ? opportuno utilizzare delle tenute meccaniche rotanti con l?utilizzo di olio come barriera tra l?ambiente interno e quello esterno al componente. The ORC system operates at pressures other than ambient pressure: to prevent contamination of the fluid in the environment, and vice versa, it is advisable to use rotating mechanical seals with the use of oil as a barrier between the internal and external environment of the component.
La zona di contatto tra i due componenti in moto relativo fra loro necessita di una lubrificazione costante e in pressione per garantirne il perfetto funzionamento e la durata nel tempo poich?, di fatto, limita l?usura dovuta al contatto diretto tra le due parti. In detti impianti ? presente una centralina che alimenta gli organi di tenuta con olio in pressione. Tale centralina deve avere un volume di accumulo di olio importante, tipicamente 100-300 l/MW di potenza elettrica, per ottemperare alla lubrificazione dei mezzi di tenuta e dei cuscinetti della/e turbina/e. The contact area between the two components in relative motion requires constant lubrication and pressure to ensure perfect operation and durability over time since, in fact, it limits wear due to direct contact between the two parts. In these systems there is a control unit that supplies the sealing parts with pressurized oil. This control unit must have a significant oil storage volume, typically 100-300 l/MW of electrical power, to comply with the lubrication of the sealing means and bearings of the turbine(s).
Le tenute rotanti sono soggette a perdite fisiologiche di olio e, in alcuni casi, si possono verificare anche perdite pi? gravi dovute alla rottura meccanica della tenuta, a seguito di inconvenienti tecnici, ad esempio, sovraccarichi termici o meccanici. Le perdite fisiologiche in un impianto ORC di alcuni MW possono andare da pochi decilitri al giorno in impianti con ottima tenuta, fino a 1 litro al giorno, ma ci possono essere impianti con tenute particolarmente usurate che introducono nell?impianto anche alcuni litri al giorno di olio di lubrificazione. Rotary seals are subject to physiological oil losses and, in some cases, even more serious losses may occur due to mechanical failure of the seal, following technical problems, for example, thermal or mechanical overloads. Physiological losses in an ORC plant of several MW can range from a few deciliters per day in plants with excellent sealing, up to 1 liter per day, but there may be plants with particularly worn seals that introduce into the plant even a few liters per day of lubrication oil.
Per limitare e minimizzare l?ingresso d?olio nell?impianto ? nota l?esistenza di sistemi di separazione ?fisica? dell?olio, come ad esempio gli anelli rotanti, anche chiamati ?lanciaolio?, che inseriti all?interno della tenuta lanciano l?olio verso la parete laterale della tenuta medesima, favorendone la raccolta. To limit and minimize the entry of oil into the system, there are known systems for the physical separation of the oil, such as rotating rings, also called "oil throwers", which, inserted inside the seal, launch the oil towards the side wall of the seal itself, facilitating its collection.
Un altro sistema pu? essere quello di prevedere dei labirinti tra parte rotante e parte fissa della tenuta, in modo da incanalare il flusso in un percorso tortuoso in cui le particelle d?olio sono costrette a sbattere contro le pareti del labirinto stesso, cambiando molte volte direzione, favorendo l?accumulo d?olio sulle pareti esterne del labirinto, per un pi? facile recupero. Another system could be to provide labyrinths between the rotating part and the fixed part of the seal, so as to channel the flow into a tortuous path in which the oil particles are forced to hit the walls of the labyrinth itself, changing direction many times, favoring the accumulation of oil on the external walls of the labyrinth, for easier recovery.
In ogni caso, questi sistemi non possono garantire la completa separazione dei due flussi. In any case, these systems cannot guarantee complete separation of the two flows.
Nei casi in cui l?olio ? a pressione maggiore rispetto alla pressione operativa di processo, l?olio fluisce all?interno dell?impianto ORC e si mescola con il fluido di lavoro andando ad alterarne le caratteristiche; una volta entrato nell?impianto, per effetto del trascinamento dovuto al moto del fluido di lavoro, l?olio di lubrificazione potrebbe trovarsi in qualsiasi condotto, tipicamente in forma nebulizzata lungo le pareti dei tubi nei quali la velocit? del fluido di lavoro ? alta, oppure in fase liquida mescolato con il fluido di lavoro stesso laddove le velocit? sono basse (ad esempio, in corrispondenza di bruschi aumenti di sezione in collettori o vessel). In cases where the oil is at a higher pressure than the operating process pressure, the oil flows inside the ORC system and mixes with the working fluid, thus altering its characteristics; once inside the system, due to the drag caused by the motion of the working fluid, the lubricating oil could be found in any duct, typically in a nebulized form along the walls of the pipes where the velocity of the working fluid is high, or in a liquid phase mixed with the working fluid itself where the velocities are low (for example, in correspondence with sudden increases in section in manifolds or vessels).
Le conseguenze di tale mescolamento sono essenzialmente: The consequences of this mixing are essentially:
- la variazione delle caratteristiche termodinamiche del fluido organico di lavoro, che in minima parte si miscela con dell?olio e varia le sue grandezze termodinamiche, tra cui la sua pressione di condensazione, nonch?, e anche sensibilmente, i punti del ciclo termodinamico; - the variation of the thermodynamic characteristics of the organic working fluid, which mixes to a minimal extent with oil and varies its thermodynamic quantities, including its condensation pressure, as well as, and significantly, the points of the thermodynamic cycle;
- la variazione della composizione del fluido organico di lavoro e l?aumento della portata globale (somma di quelle del fluido ORC e dell?olio): nell?impianto si avranno conseguenze sui coefficienti di scambio termico e sulla pressione del ciclo a discapito del rendimento. Inoltre, in turbina sar? elaborato un fluido che non scambia quantit? di moto con la turbina stessa e non genera potenza come il fluido organico di lavoro; - the variation of the composition of the organic working fluid and the increase in the overall flow rate (sum of the ORC fluid and the oil): in the system, this will have consequences on the heat exchange coefficients and on the cycle pressure to the detriment of the efficiency. Furthermore, in the turbine, a fluid will be processed that does not exchange momentum with the turbine itself and does not generate power like the organic working fluid;
- nelle situazioni meno favorevoli, l?olio pu? concentrarsi anche in zone non facilmente drenabili, sfuggendo all?azione di un separatore in linea, oppure, soprattutto negli impianti operanti ad alta temperatura, potrebbe subire cracking formando dei composti che si depositano sulle superfici di scambio aumentandone la resistenza termica, o sulle palette della turbina. Questo fenomeno ? noto con il termine fouling, ovvero deposito di film di olio crackizzato. In particolare, in espansori relativamente piccoli questo fenomeno pu? ridurre l?area di passaggio del fluido di lavoro anche del 20%; - in less favorable situations, the oil can also concentrate in areas that are not easily drainable, escaping the action of an in-line separator, or, especially in systems operating at high temperatures, it could undergo cracking, forming compounds that are deposited on the exchange surfaces, increasing their thermal resistance, or on the turbine blades. This phenomenon is known as fouling, or the deposit of cracked oil films. In particular, in relatively small expanders this phenomenon can reduce the working fluid passage area by up to 20%;
- inoltre, la presenza di un deposito solido, seppur di minimo spessore, sulle palette della turbina, va inevitabilmente ad alterare la loro geometria, che man mano presenta una forma sempre pi? diversa da quella di progetto, pensata per massimizzare lo scambio di quantit? di moto con il vapore del fluido di lavoro. - furthermore, the presence of a solid deposit, even if of minimal thickness, on the turbine blades, inevitably alters their geometry, which gradually presents a shape increasingly different from the design one, designed to maximize the exchange of momentum with the working fluid vapour.
Questi depositi, creati da olio che sfugge all?azione di un separatore in linea, difficilmente possono essere rimossi senza interventi invasivi che portano ad un fermo impianto. These deposits, created by oil that escapes the action of an in-line separator, are difficult to remove without invasive interventions that lead to a plant shutdown.
Si ? verificato sul campo che le prestazioni del rendimento di un impianto ORC calano sino anche al 10% rispetto al rendimento massimo, con una percentuale significativa (sino a circa il 10%) di olio in circolo nell?impianto rispetto alla portata del fluido di lavoro. It has been verified in the field that the efficiency performance of an ORC system drops by up to 10% compared to the maximum efficiency, with a significant percentage (up to approximately 10%) of oil circulating in the system compared to the flow rate of the working fluid.
Esiste pertanto una prima esigenza che ? quella di separare e rimuovere l?olio dal fluido di lavoro all?interno dell?impianto, al fine di garantire il rendimento ottimale dell?impianto nel tempo. There is therefore a first requirement which is to separate and remove the oil from the working fluid inside the system, in order to guarantee the optimal performance of the system over time.
Il brevetto europeo n. EP3055518 della scrivente presenta una soluzione al problema qui descritto, descrivendo un dispositivo ?in linea?, ovvero un separatore 170 di olio (come indicato in figura 1) che opera separando l?olio prelevando e separando una portata in un punto dell?impianto ? che pu? essere lungo la linea di bypass 180 tra una porzione dell?evaporatore 120 e il condensatore 150 (o, come nel caso illustrato in figura 1, il rigeneratore 160) ? senza dover necessariamente fermare l?impianto. The undersigned's European patent no. EP3055518 presents a solution to the problem described here, describing an "in-line" device, i.e. an oil separator 170 (as shown in figure 1) that operates by separating the oil by taking and separating a flow rate at a point in the system - which may be along the bypass line 180 between a portion of the evaporator 120 and the condenser 150 (or, as in the case illustrated in figure 1, the regenerator 160) - without necessarily having to stop the system.
Risulta evidente, per?, che non ? sufficiente solo il prevedere soluzioni che attuino la separazione dell?olio una volta entrato nell?impianto per risolvere i problemi legati alla sua coesistenza con il fluido di lavoro, ma ? fondamentale anche valutare la posizione in cui andare ad inserire il separatore stesso. It is clear, however, that it is not sufficient to simply provide solutions that implement the separation of the oil once it has entered the system to resolve the problems related to its coexistence with the working fluid, but it is also essential to evaluate the position in which to insert the separator itself.
Allo stato dell?arte attuale, si ammette l?ingresso dell?olio nell?impianto accettando di separarlo con delle soluzioni ?in linea? in punti a pressione nettamente maggiore rispetto alla pressione di condensazione (ad esempio, su una apposita linea di by-pass prelevando la miscela alla pressione di vaporizzazione che si raggiunge a valle dell?evaporatore 120), per ricongiungersi poi nell?impianto in zone a pressione pi? bassa, consentendo cos? il deflusso. Normalmente si inserisce il separatore olio tra l?evaporatore e il rigeneratore o condensatore: la portata che serve a separare l?olio, quindi, bypassa la turbina e si ricongiunge al condensatore. In the current state of the art, the oil is admitted into the system by agreeing to separate it with "in-line" solutions in points with a pressure significantly higher than the condensation pressure (for example, on a special by-pass line by taking the mixture at the vaporization pressure reached downstream of evaporator 120), to then rejoin the system in areas with a lower pressure, thus allowing the flow. Normally the oil separator is inserted between the evaporator and the regenerator or condenser: the flow rate needed to separate the oil, therefore, bypasses the turbine and rejoins the condenser.
Nonostante il sistema separi correttamente l?olio di lubrificazione dal fluido di lavoro, risolvendo il problema fin qui descritto, questa separazione ?in linea? comporta due svantaggi: Although the system correctly separates the lubricating oil from the working fluid, solving the problem described so far, this "in-line" separation has two disadvantages:
- la portata spillata non concorre alla produzione di potenza meccanica in turbina; - the tapped flow does not contribute to the production of mechanical power in the turbine;
- l?olio ? lasciato fluire in tutti i componenti dell?impianto poich? non viene separato al suo ingresso ossia nella zona evidenziata con il riferimento 190 in prossimit? di cuscinetti e tenute della turbina 130, ovvero dell?albero della turbina medesima. - the oil is allowed to flow into all the components of the system since it is not separated at its entrance, i.e. in the area highlighted with the reference 190 near the bearings and seals of the turbine 130, or the shaft of the turbine itself.
Cos? operando, pur separando l?olio, ci si ritrova ad avere porzioni di impianto in cui lo stesso olio circola assieme al fluido di lavoro prima di essere separato. Si tratta di porzioni d?impianto rimarchevoli: fluido di lavoro in fase di vapore e olio dalla turbina 130 al rigeneratore 160 e quindi al condensatore 150; di seguito fluido di lavoro in fase liquida e olio dal condensatore 150 alla pompa 110, quindi di nuovo al rigeneratore 160 e all?evaporatore 120. Soltanto all?uscita dall?evaporatore questa miscela potr? arrivare tramite la linea di bypass 180 al separatore 170 di olio. Pertanto l?olio attraverser?, in particolare, tutti gli scambiatori di calore con conseguente stress termico e di pressione. A prescindere da dove viene prelevata la miscela, il sistema di separazione comunque agisce su una piccola portata in by-pass quindi non esclude che l?olio lubrificante rimanga in circolo a lungo In this way, while separating the oil, we end up with portions of the system in which the same oil circulates together with the working fluid before being separated. These are noteworthy portions of the system: working fluid in vapor phase and oil from turbine 130 to regenerator 160 and then to condenser 150; then working fluid in liquid phase and oil from condenser 150 to pump 110, then again to regenerator 160 and evaporator 120. Only at the evaporator outlet can this mixture reach the oil separator 170 via bypass line 180. Therefore, the oil will pass through, in particular, all the heat exchangers with consequent thermal and pressure stress. Regardless of where the mixture is taken from, the separation system still acts on a small by-pass flow rate and therefore does not exclude that the lubricating oil remains in circulation for a long time.
In impianti operanti a temperature particolarmente elevate l?olio pu? deteriorarsi formando composti solidi che, depositandosi sulle pareti dello scambiatore, ne inficiano il rendimento. In systems operating at particularly high temperatures, the oil can deteriorate, forming solid compounds which, depositing on the walls of the exchanger, affect its performance.
Esiste pertanto un ulteriore esigenza, cio? quella di separare e rimuovere l?olio dal fluido di lavoro all?interno dell?impianto nel momento stesso in cui l?olio medesimo viene immesso in circolo (riferimento 190, nei pressi della turbina 130), al fine di garantire il corretto funzionamento e un elevato rendimento globale dell?impianto ORC nel tempo. Therefore, there is a further requirement, that of separating and removing the oil from the working fluid inside the system at the very moment in which the oil itself is introduced into circulation (reference 190, near turbine 130), in order to guarantee the correct functioning and a high overall efficiency of the ORC system over time.
Questo ulteriore problema tecnico non pu? essere risolto con i dispositivi ?in linea? e che elaborano una piccola portata in by-pass secondo tecnica nota: infatti, il punto di ingresso dell?olio di lubrificazione nell?impianto ? inevitabilmente in corrispondenza della tenuta della turbina, connessa all?albero, nella zona degli stadi di bassa pressione. Si tratta di una zona non favorevole, per l?inserimento di un dispositivo di separazione dell?olio poich? questa zona si trova a pressione molto prossima a quella di condensazione: l?inserimento di un separatore di olio in questa zona, che sarebbe al contempo la pi? indicata per la separazione dell?olio stesso perch? eviterebbe il suo fluire negli altri componenti dell?impianto, ? reso complicato dalla mancanza di forza motrice (ovvero di un sufficiente salto di pressione) per generare il flusso di portata da elaborare, dal momento che la pressione in questa zona, gi? molto prossima a quella di condensazione, verrebbe ulteriormente abbassata dalla presenza del separatore 170 di olio (il quale introduce una perdita di carico, seppur minima) e soprattutto per la presenza del piping e delle valvole per la conduzione e la regolazione di questo spillamento nel separatore 170 di olio e da qui all?impianto. This further technical problem cannot be solved with "in-line" devices that process a small by-pass flow according to known techniques: in fact, the point of entry of the lubricating oil into the system is inevitably in correspondence with the turbine seal, connected to the shaft, in the low pressure stage area. This is an unfavourable area for the insertion of an oil separation device since this area is at a pressure very close to the condensation pressure: the insertion of an oil separator in this area, which would at the same time be the most suitable for the separation of the oil itself because it would prevent it from flowing into the other components of the system, is complicated by the lack of driving force (i.e. a sufficient pressure drop) to generate the flow of the flow to be processed, since the pressure in this area, already at 100 bar, is too high. very close to that of condensation, would be further lowered by the presence of the oil separator 170 (which introduces a pressure drop, albeit minimal) and above all by the presence of the piping and valves for the conduction and regulation of this bleed in the oil separator 170 and from there to the system.
Sintesi dell?invenzione Summary of the invention
La soluzione di tutti i problemi tecnici di cui al paragrafo precedente si ottiene, secondo la presente invenzione, con un dispositivo per la separazione continua di olio in un impianto a ciclo Rankine organico, comprendente un separatore di olio e un eiettore, a valle della turbina di espansione. The solution to all the technical problems mentioned in the previous paragraph is obtained, according to the present invention, with a device for the continuous separation of oil in an organic Rankine cycle plant, comprising an oil separator and an ejector, downstream of the expansion turbine.
La presente soluzione consente al flusso di fluido di lavoro e olio da separare di avere la forza motrice per ricongiungersi allo scarico turbina, consentendo la separazione continua dell?olio in prossimit? della sua entrata nell?impianto, prevenendo i problemi che altrimenti questa entrata comporterebbe. This solution allows the flow of working fluid and oil to be separated to have the driving force to rejoin the turbine exhaust, allowing continuous separation of the oil near its entrance into the system, preventing the problems that this entrance would otherwise cause.
Secondo un aspetto della presente invenzione ?, quindi, descritto un dispositivo per la separazione continua di olio in un impianto a ciclo Rankine organico avente le caratteristiche enunciate nella rivendicazione indipendente di prodotto annessa alla presente descrizione. According to one aspect of the present invention, therefore, there is described a device for the continuous separation of oil in an organic Rankine cycle plant having the features set forth in the independent product claim annexed to the present specification.
Ulteriori modi di attuazione del suddetto impianto, preferiti e/o particolarmente vantaggiosi, sono descritti secondo le caratteristiche enunciate nelle rivendicazioni dipendenti annesse. Further preferred and/or particularly advantageous ways of implementing the aforementioned system are described according to the characteristics set out in the attached dependent claims.
Breve descrizione dei disegni Brief description of the drawings
L?invenzione verr? ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che illustrano alcuni esempi di attuazione non limitativi di un rigeneratore per impianti ORC, in cui: The invention will now be described with reference to the attached drawings, which illustrate some non-limiting examples of implementation of a regenerator for ORC plants, wherein:
- la figura 1 illustra schematicamente un impianto ORC con separatore di olio, secondo la tecnica nota, - Figure 1 schematically illustrates an ORC plant with oil separator, according to the known technique,
- la figura 2 illustra schematicamente un dispositivo per la separazione continua di olio in un impianto a ciclo Rankine organico, secondo una prima e preferita forma di attuazione della presente invenzione, - Figure 2 schematically illustrates a device for the continuous separation of oil in an organic Rankine cycle plant, according to a first and preferred embodiment of the present invention,
- la figura 3 illustra uno schema di un eiettore del dispositivo di figura 2, e - Figure 3 illustrates a diagram of an ejector of the device of Figure 2, and
- la figura 4 illustra uno schema di separatore di olio del dispositivo di figura 2. - Figure 4 illustrates a schematic of the oil separator of the device of Figure 2.
Descrizione dettagliata Detailed description
Con riferimento alla figura 2, una turbina 1, nota, di un impianto ORC, anch?esso noto e per il quale si continuer? a fare riferimento alla figura 1, ? schematizzata assieme ad una linea di ammissione 9 del vapore saturo o surriscaldato del fluido organico di lavoro, proveniente da uno scambiatore di calore (noto e pertanto non mostrato in figura 2, ma comunque illustrato in figura 1) e ad una linea di scarico 10 del vapore espanso del fluido di lavoro che lo conduce al rigeneratore o, direttamente, al condensatore (entrambi noti e pertanto non mostrati in figura 2, ma comunque illustrati in figura 1). With reference to figure 2, a known turbine 1 of an ORC plant, also known and for which reference will continue to be made to figure 1, is schematized together with an admission line 9 of the saturated or superheated vapour of the organic working fluid, coming from a heat exchanger (known and therefore not shown in figure 2, but nevertheless illustrated in figure 1) and an exhaust line 10 of the expanded vapour of the working fluid which leads it to the regenerator or, directly, to the condenser (both known and therefore not shown in figure 2, but nevertheless illustrated in figure 1).
Secondo la presente invenzione, il dispositivo 20 per la separazione continua di olio in un impianto a ciclo Rankine organico comprende: According to the present invention, the device 20 for continuous oil separation in an organic Rankine cycle plant comprises:
- una prima linea 2, in uscita dalla zona dell?albero della turbina, ovvero a valle di una tenuta 8 della turbina 1 e con essa in comunicazione di fluido. Nella prima linea 2 fluisce tutta la portata di olio entrante nel sistema attraverso la tenuta 8, posizionata sulla bassa pressione della turbina 1. Quindi, in questa prima linea 2 ? presente una miscela di vapore del fluido di lavoro e olio di lubrificazione. Per mezzo di un eiettore 5, come si vedr?, si crea una zona di depressione rispetto alla pressione di scarico della turbina, che richiama questa portata proprio attraverso la prima linea 2 e la conduce all?interno di un separatore 3 di olio; - a first line 2, exiting from the turbine shaft area, i.e. downstream of a seal 8 of turbine 1 and in fluid communication with it. In the first line 2, all the oil flow entering the system flows through the seal 8, positioned on the low pressure of turbine 1. Therefore, in this first line 2 there is a mixture of working fluid vapour and lubricating oil. By means of an ejector 5, as will be seen, a depression zone is created with respect to the turbine exhaust pressure, which recalls this flow precisely through the first line 2 and conducts it into an oil separator 3;
- una seconda linea 6 di spillamento di un flusso di vapore del fluido di lavoro, la cui portata ha un valore compreso tra lo 0,1% e lo 0,2% della portata totale in ingresso turbina (ovvero per mezzo della linea di ammissione 9), che funge da ?forza motrice? dell?eiettore 5 per la creazione di una zona di bassa pressione allo scarico di un suo ugello convergentedivergente. Il punto di prelievo di questo flusso 6 ? frutto di un?ottimizzazione tra il minor livello di pressione disponibile sufficiente per il funzionamento dell?eiettore, e della portata massima spillabile (la quale influenza il diametro di questo condotto). In via teorica, tanto minore ? il salto di pressione operato dall?eiettore, tanto maggiore ? la sua efficienza; tanto minore ? il salto, per?, tanto maggiore ? la portata necessaria a parit? di effetto utile, quindi tanto maggiore sar? il dimensionamento del sistemaeiettore; - a second line 6 for tapping a flow of vapour of the working fluid, the flow rate of which has a value between 0.1% and 0.2% of the total flow rate at the turbine inlet (i.e. by means of the admission line 9), which acts as the ?driving force? of the ejector 5 to create a low pressure zone at the outlet of one of its convergent-divergent nozzles. The sampling point of this flow 6 is the result of an optimization between the lowest available pressure level sufficient for the operation of the ejector, and the maximum tapping flow rate (which influences the diameter of this duct). In theory, the smaller the pressure drop operated by the ejector, the greater its efficiency; however, the smaller the drop, the greater the flow rate required for the same useful effect, therefore the greater the sizing of the ejector system;
- un separatore 3 di olio, preferibilmente a coalescenza, in comunicazione di fluido con la prima linea 2. Nel separatore (con riferimento anche alla figura 4) il flusso di fluido di lavoro, contaminato da olio, entra per mezzo di un bocchello 41. Una prima separazione dell?olio si verifica per effetto del brusco calo di velocit? del flusso a causa della grossa differenza di sezione tra il bocchello 41 di ingresso e una zona di calma 40 di ingresso separatore; una seconda separazione avviene a causa del cambio di direzione del flusso, e in minima parte si verifica una separazione per collisione dello stesso con le pareti 42 in prossimit? dell?ingresso. L?olio separato ? raccolto nella parte inferiore del separatore, mentre il fluido di lavoro allo stato gassoso prosegue attraverso il condotto 43 che mette in comunicazione l?ingresso 41 con l?uscita 45 per mezzo di un filtro 44, a coalescenza. Le gocce di olio raccolte dalla membrana del filtro scendono per gravit?, si accumulano nella parte inferiore dello stesso e da qui passano in una linea di drenaggio 11, per mezzo della quale, opzionalmente, possono far ritorno nel circuito di lubrificazione della turbina 1. Il flusso depurato, invece, viene espulso dal bocchello di uscita 45. Vantaggiosamente, il separatore 3 di olio viene scaldato con una coperta termica o altro mezzo di riscaldamento per evitare la condensazione del fluido di lavoro, il quale ? necessario rimanga allo stato gassoso; - an oil separator 3, preferably of coalescing type, in fluid communication with the first line 2. In the separator (with reference also to figure 4) the flow of working fluid, contaminated by oil, enters by means of a nozzle 41. A first separation of the oil occurs due to the sudden drop in flow speed caused by the large difference in section between the inlet nozzle 41 and a calm zone 40 of the separator inlet; a second separation occurs due to the change in direction of the flow, and to a minimal extent a separation occurs due to the collision of the same with the walls 42 near the inlet. The separated oil is collected in the lower part of the separator, while the working fluid in the gaseous state continues through the duct 43 which puts the inlet 41 in communication with the outlet 45 by means of a coalescing filter 44. The oil drops collected by the filter membrane descend by gravity, accumulate in the lower part of the filter and from there pass into a drainage line 11, by means of which, optionally, they can return to the lubrication circuit of the turbine 1. The purified flow, instead, is expelled from the outlet nozzle 45. Advantageously, the oil separator 3 is heated with a thermal blanket or other heating means to avoid condensation of the working fluid, which must remain in a gaseous state;
- a valle del separatore 3 di olio, una linea di scarico 4 conduce all?eiettore 5, al quale sono connesse due flussi di vapore del fluido di lavoro: un primo flusso di bassa pressione, quello in uscita dal separatore che percorre la linea di scarico 4 e un secondo flusso a pressione maggiore che deriva dallo spillamento di fluido di lavoro surriscaldato e in pressione da uno stadio intermedio di turbina 1 e che fluisce lungo la seconda linea 6 di spillamento; la linea 4 ? convenientemente dotata di valvola di non ritorno 46, per impedire al flusso di tornare nel separatore 3 qualora si verifichino delle condizioni transitorie che lo consentano; - downstream of the oil separator 3, a discharge line 4 leads to the ejector 5, to which two flows of vapour of the working fluid are connected: a first low pressure flow, the one exiting the separator which runs along the discharge line 4 and a second flow at higher pressure which derives from the bleed of superheated and pressurised working fluid from an intermediate stage of the turbine 1 and which flows along the second bleed line 6; line 4 is conveniently equipped with a non-return valve 46, to prevent the flow from returning to the separator 3 if transitory conditions occur which allow it;
- l?eiettore 5 che, com?? noto, ? un compressore statico che sfrutta l'effetto Venturi prodotto da un ugello convergente ? divergente per convertire l'energia data da un fluido motore ad elevata pressione in un aumento di velocit? dello stesso, in modo che possa aspirare un secondo fluido, miscelandolo con il fluido motore, e comprimerlo in modo che all?uscita dall?eiettore tale secondo fluido avr? una pressione maggiore di quella di aspirazione. Per comodit?, si descrivono nel seguito le caratteristiche innovative dell?eiettore 5; - ejector 5 which, as is known, is a static compressor that exploits the Venturi effect produced by a convergent-divergent nozzle to convert the energy given by a high-pressure driving fluid into an increase in the speed of the same, so that it can suck in a second fluid, mixing it with the driving fluid, and compress it so that at the exit from the ejector this second fluid will have a higher pressure than the suction pressure. For convenience, the innovative features of ejector 5 are described below;
- infine, una terza linea 7 a valle dell?eiettore 5 riconduce il flusso di vapore complessivo, somma dei flussi provenienti dallo spillamento turbina e dal separatore 3 di olio, alla linea 10 che dalla turbina porta il vapore del fluido di lavoro al rigeneratore o al condensatore. - finally, a third line 7 downstream of the ejector 5 brings the overall steam flow, the sum of the flows coming from the turbine bleed and from the oil separator 3, back to line 10 which carries the working fluid steam from the turbine to the regenerator or condenser.
A titolo esemplificativo, le pressioni nelle diverse linee in condizioni di progetto potrebbero essere: As an example, the pressures in the different lines under design conditions could be:
- linea 6: 10 bar - line 6: 10 bars
- uscita turbina, inizio linea 2: 1 bar - turbine outlet, start of line 2: 1 bar
- scarico linea 4, ingresso eiettore: 0,7 bar - exhaust line 4, ejector inlet: 0.7 bar
- inizio linea 7: 1,3 bar - start line 7: 1.3 bar
La prevalenza necessaria al flusso della linea di scarico 4 per rientrare allo scarico della turbina ? generata dall?eiettore 5. The head required for the flow of exhaust line 4 to return to the turbine exhaust is generated by ejector 5.
In un sistema ideale, tutta la portata di olio entrante nella tenuta ? convogliata dalla prima linea 2, in uscita dalla tenuta 8 della turbina 1, al separatore 3 di olio. Non ? tuttavia certo, in alcune configurazioni di impianto, che la totalit? dell?olio delle tenute che contamina il fluido di lavoro venga intercettata dal sistema secondo la presente invenzione. In tal caso, si accetter? di ammettere una piccola percentuale di olio di lubrificazione nell?impianto, separandola poi con opportuno separatore in linea, ad esempio con il sistema descritto nel brevetto europeo della scrivente gi? citato in precedenza. Anche in questo caso comunque non verrebbero meno i vantaggi qui descritti, poich? la portata di olio entrante nell?impianto sarebbe comunque minima rispetto ad uno scenario ad uguali condizioni al contorno ma senza eiettore. In an ideal system, all the oil flow entering the seal is conveyed from the first line 2, exiting the seal 8 of the turbine 1, to the oil separator 3. However, in some system configurations, it is not certain that all the oil from the seals contaminating the working fluid will be intercepted by the system according to the present invention. In this case, it will be acceptable to admit a small percentage of lubrication oil into the system, then separating it with an appropriate in-line separator, for example with the system described in the European patent of the undersigned cited above. Even in this case, however, the advantages described here would not be lost, since the oil flow entering the system would still be minimal compared to a scenario with equal boundary conditions but without an ejector.
Il flusso a bassa pressione (per esempio, 0.7 bar), dopo aver attraversato il separatore 3, entra nell?eiettore 5 assieme al flusso proveniente dallo spillamento di una zona di alta pressione della turbina 1 (per esempio 10 bar). The low pressure flow (for example, 0.7 bar), after passing through the separator 3, enters the ejector 5 together with the flow coming from the bleed of a high pressure zone of the turbine 1 (for example 10 bar).
Il flusso della terza linea 7, che si trova a temperatura pi? alta rispetto al condensatore 150, pu? convenientemente essere usato per riscaldare il separatore 3, mantenendolo ad una temperatura sufficiente ad evitare la condensazione del fluido di lavoro al suo interno. The flow of the third line 7, which is at a higher temperature than the condenser 150, can conveniently be used to heat the separator 3, maintaining it at a temperature sufficient to avoid condensation of the working fluid inside it.
Con riferimento alla figura 3, l?eiettore comprende: With reference to figure 3, the ejector comprises:
- un primo tratto 4e di ingresso del flusso di fluido di lavoro a pressione pi? bassa, ad esempio 0,7 bar. In pratica, il primo tratto 4e costituisce la porzione terminale della linea di scarico 4 che convoglia il primo flusso di vapore del fluido di lavoro dall?uscita del separatore 3 di olio all?eiettore 5; - a first section 4e for the inlet of the working fluid flow at a lower pressure, for example 0.7 bar. In practice, the first section 4e constitutes the terminal portion of the discharge line 4 which conveys the first flow of vapour of the working fluid from the outlet of the oil separator 3 to the ejector 5;
- un secondo tratto 6e di ingresso del flusso di fluido di lavoro a pressione pi? alta, ad esempio 10 bar. Questo secondo tratto 6e costituisce la porzione terminale della seconda linea 6, quella che convoglia il secondo flusso di vapore del fluido di lavoro, spillato in corrispondenza di uno stadio intermedio della turbina 1; - a second section 6e for the inlet of the working fluid flow at a higher pressure, for example 10 bar. This second section 6e constitutes the terminal portion of the second line 6, the one that conveys the second flow of vapour of the working fluid, tapped at an intermediate stage of the turbine 1;
- un ugello 31 che viene interessato solo dal secondo flusso del secondo tratto 6e di ingresso. Tale flusso, nell?ugello 31, converte la sua energia di pressione in energia cinetica, creando a valle dello stesso una regione con moto ad alta velocit?, con numero di Mach maggiore di 1 e regime turbolento, che favorisce la miscelazione. L?ugello 31 potr? assumere la forma convergente ? divergente qualora si voglia operare con salti di pressione superiori a quello critico: nel caso in esempio infatti la pressione nel secondo tratto 6e ? molto pi? alta della pressione nel primo tratto 4e, di almeno dieci volte superiore. Per il corretto funzionamento dell?eiettore 5, a valle dell?ugello, ove i flussi del primo tratto 4e e del secondo tratto 6e si ricongiungono, deve crearsi una zona a pressione minore rispetto alla pressione nel primo tratto 4e, quindi il salto di pressione che deve operare l?ugello 31 ? ben maggiore di quello critico. L?ugello 31 nella forma convergente-divergente consente di superare il rapporto di pressione critico e di far raggiungere al fluido, a valle dell?ugello, una pressione minore rispetto a quella del primo tratto 4e; - a nozzle 31 which is only affected by the second flow of the second inlet section 6e. This flow, in the nozzle 31, converts its pressure energy into kinetic energy, creating a region with high-speed motion downstream of it, with a Mach number greater than 1 and a turbulent regime, which promotes mixing. The nozzle 31 can assume the convergent - divergent shape if one wishes to operate with pressure jumps greater than the critical one: in the example case in fact the pressure in the second section 6e is much higher than the pressure in the first section 4e, at least ten times higher. For the correct functioning of the ejector 5, downstream of the nozzle, where the flows of the first section 4e and the second section 6e rejoin, an area with a lower pressure than the pressure in the first section 4e must be created, therefore the pressure jump that the nozzle 31 must operate is much greater than the critical one. The nozzle 31 in the convergent-divergent shape allows the critical pressure ratio to be exceeded and for the fluid, downstream of the nozzle, to reach a lower pressure than that of the first section 4e;
- un terzo tratto 32, sostanzialmente cilindrico e pressoch? isobaro a meno delle perdite di carico, avente funzione di miscelazione e scambio della quantit? di moto tra i flussi provenienti dal primo tratto 4e e dal secondo tratto 6e che, sostanzialmente vanno a formare un terzo flusso di vapore somma del primo e del secondo flusso di vapore, - a third section 32, substantially cylindrical and almost isobaric except for the pressure drops, having the function of mixing and exchanging the quantity of motion between the flows coming from the first section 4e and the second section 6e which, substantially, form a third flow of steam, the sum of the first and second flows of steam,
- un quarto tratto 33, divergente, che opera la riconversione dell?energia cinetica in energia di pressione, in modo che il terzo flusso di vapore del fluido di lavoro arrivi all?uscita 7e dell?eiettore 5 e, quindi, alla terza linea 7, con una pressione maggiore di quella di condensazione. In questo modo il flusso in uscita dall?eiettore 5, per mezzo della terza linea 7, potr? ricongiungersi al flusso di vapore espanso della linea di scarico 10 dalla turbina 1. - a fourth section 33, divergent, which carries out the reconversion of kinetic energy into pressure energy, so that the third flow of vapour of the working fluid arrives at the outlet 7e of the ejector 5 and, therefore, at the third line 7, with a pressure greater than the condensation pressure. In this way the flow exiting from the ejector 5, by means of the third line 7, can rejoin the flow of expanded vapour of the exhaust line 10 from the turbine 1.
Il dispositivo 20 per la separazione continua di olio, secondo la presente invenzione, comporta i seguenti vantaggi: The device 20 for continuous oil separation, according to the present invention, has the following advantages:
- separandolo immediatamente a valle della turbina, l?olio non viene interessato dallo stress termico e di pressione che subisce negli scambiatori di calore; quindi, non si deteriora e non forma composti nocivi al buon funzionamento dell?impianto ORC; - by separating it immediately downstream of the turbine, the oil is not affected by the thermal and pressure stress it undergoes in the heat exchangers; therefore, it does not deteriorate and does not form compounds harmful to the proper functioning of the ORC system;
- in pratica l?olio non entra pressoch? per nulla nell?impianto ORC e, quindi, non influenza il ciclo termodinamico; - in practice, the oil enters almost entirely into the ORC system and, therefore, does not influence the thermodynamic cycle;
- l?olio, non subendo alcuno stress termico, una volta separato pu? essere recuperato facendolo rientrare direttamente nel circuito di lubrificazione dell?impianto ORC; - the oil, not undergoing any thermal stress, once separated can be recovered by returning it directly to the lubrication circuit of the ORC system;
- la portata di alta pressione viene spillata non a monte del primo stadio della turbina ma in una regione intermedia dell?espansione e, quindi, dopo aver gi? parzialmente contribuito alla generazione di potenza in turbina. - the high pressure flow is not tapped upstream of the first stage of the turbine but in an intermediate region of the expansion and, therefore, after having already partially contributed to the generation of power in the turbine.
Il dispositivo 20 secondo la presente invenzione potr? quindi convenientemente essere utilizzato in un impianto a ciclo Rankine organico, ad esempio come quello illustrato in figura 1, comprendente almeno una pompa di alimentazione, almeno uno scambiatore di calore, almeno una turbina di espansione e almeno un condensatore. Vantaggiosamente l?impianto ORC potr? essere provvisto anche di un rigeneratore. The device 20 according to the present invention can therefore conveniently be used in an organic Rankine cycle system, for example as illustrated in figure 1, comprising at least one feed pump, at least one heat exchanger, at least one expansion turbine and at least one condenser. Advantageously the ORC system can also be provided with a regenerator.
Il dispositivo secondo la presente invenzione potr? essere convenientemente utilizzato anche in punti differenti da quello precedentemente descritto (a valle della turbina). Ad esempio, l?eiettore pu? aspirare anche da altri punti a bassa pressione dell?impianto nei quali ci pu? essere una commistione di fluido di lavoro e olio di lubrificazione: riduttori di giri comunicanti con la turbina tramite tenute a labirinto, centraline di lubrificazione, ecc. The device according to the present invention may also be conveniently used in points other than the one previously described (downstream of the turbine). For example, the ejector may also suck from other low pressure points of the system in which there may be a mixture of working fluid and lubricating oil: speed reducers communicating with the turbine via labyrinth seals, lubrication control units, etc.
In particolare, in impianti con turbine, la tenuta in turbina pu? non essere meccanica ma a labirinti. Anche in questa variante, la soluzione del dispositivo 20 per la separazione continua di olio comprendente l?eiettore, cos? come precedentemente descritta, rimane valida in tutti i suoi elementi. L?unica variazione ? il punto di aspirazione, che non sar? pi? in corrispondenza dell?albero della turbina ma in prossimit? della centralina di lubrificazione. In questo caso ? il fluido di lavoro, che normalmente ? a pressione maggiore rispetto all?olio, a superare il labirinto e a contaminare l?olio, al contrario di quanto avviene nel caso precedentemente descritto. La funzione della separazione e dell?eiettore, pur essendo fisicamente la stessa, in questa applicazione ha la funzione di recupero del fluido di lavoro che altrimenti rimarrebbe nella centralina di lubrificazione. In particular, in systems with turbines, the turbine seal may not be mechanical but labyrinth-type. Even in this variant, the solution of the device 20 for the continuous separation of oil comprising the ejector, as previously described, remains valid in all its elements. The only variation is the suction point, which will no longer be in correspondence with the turbine shaft but near the lubrication unit. In this case, it is the working fluid, which is normally at a higher pressure than the oil, that overcomes the labyrinth and contaminates the oil, contrary to what happens in the case previously described. The function of the separation and the ejector, although physically the same, in this application has the function of recovering the working fluid that would otherwise remain in the lubrication unit.
Analogamente all?utilizzo dell?eiettore, per lo stesso scopo potrebbe essere usato un compressore, con il medesimo scopo. L?eiettore, tuttavia, a differenza del compressore ha il notevole vantaggio di essere un componente statico e di non aver bisogno di alcuna tenuta, regolazione, o alimentazione di tipo meccanico. Inoltre, per le condizioni di lavoro considerate, il compressore dovrebbe essere posto in posizioni difficilmente accessibili, rendendone complicate le attivit? di manutenzione. I vantaggi dell?eiettore appaiono quindi evidenti: ? di dimensioni ridotte rispetto al compressore, ? un componente statico, quindi pi? affidabile, ? pi? economico. Similarly to the use of the ejector, a compressor could be used for the same purpose, with the same purpose. The ejector, however, unlike the compressor has the notable advantage of being a static component and not requiring any seal, adjustment, or mechanical power supply. Furthermore, for the working conditions considered, the compressor would have to be placed in positions that are difficult to access, making maintenance activities complicated. The advantages of the ejector therefore appear evident: it is smaller in size than the compressor, it is a static component, therefore more reliable, it is cheaper.
Oltre ai modi di attuazione dell?invenzione, come sopra descritti, ? da intendere che esistono numerose ulteriori varianti. Deve anche intendersi che detti modi di attuazione sono solo esemplificativi e non limitano l?oggetto dell?invenzione, n? le sue applicazioni, n? le sue configurazioni possibili. Al contrario, sebbene la descrizione sopra riportata rende possibile all?uomo di mestiere l?attuazione della presente invenzione almeno secondo una sua configurazione esemplificativa, si deve intendere che sono concepibili numerose variazioni dei componenti descritti, senza che per questo si fuoriesca dall?oggetto dell?invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate. In addition to the modes of implementation of the invention, as described above, it is to be understood that numerous further variations exist. It is also to be understood that said modes of implementation are only exemplifying and do not limit the object of the invention, nor its applications, nor its possible configurations. On the contrary, although the description reported above makes it possible for a man of skill to implement the present invention at least according to an exemplifying configuration thereof, it is to be understood that numerous variations of the described components are conceivable, without thereby departing from the object of the invention, as defined in the attached claims.
Claims (10)
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009017473A2 (en) * | 2007-07-27 | 2009-02-05 | Utc Power Corporation | Oil recovery from an evaporator of an organic rankine cycle (orc) system |
| WO2009017474A1 (en) * | 2007-07-27 | 2009-02-05 | Utc Power Corporation | Method and apparatus for starting a refrigerant system without preheating the oil |
| EP2520771A1 (en) * | 2011-05-03 | 2012-11-07 | Technische Universität München | Method and device for quick oil heating for oil-lubricated expansion machines |
| EP3032048A1 (en) * | 2014-12-09 | 2016-06-15 | Eaton Corporation | Organic rankine cycle system with lubrication circuit |
| EP3055518A1 (en) | 2013-10-11 | 2016-08-17 | Turboden SRL | Device for oil separation and removal from an organic working fluid |
| US20200191108A1 (en) * | 2018-12-12 | 2020-06-18 | William J. Diaz | Refrigeration cycle ejector power generator |
| WO2021069802A2 (en) * | 2019-10-11 | 2021-04-15 | Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy | An arrangement |
-
2023
- 2023-03-29 IT IT102023000006051A patent/IT202300006051A1/en unknown
-
2024
- 2024-03-25 WO PCT/IB2024/052830 patent/WO2024201269A1/en active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009017473A2 (en) * | 2007-07-27 | 2009-02-05 | Utc Power Corporation | Oil recovery from an evaporator of an organic rankine cycle (orc) system |
| WO2009017474A1 (en) * | 2007-07-27 | 2009-02-05 | Utc Power Corporation | Method and apparatus for starting a refrigerant system without preheating the oil |
| EP2520771A1 (en) * | 2011-05-03 | 2012-11-07 | Technische Universität München | Method and device for quick oil heating for oil-lubricated expansion machines |
| EP3055518A1 (en) | 2013-10-11 | 2016-08-17 | Turboden SRL | Device for oil separation and removal from an organic working fluid |
| EP3032048A1 (en) * | 2014-12-09 | 2016-06-15 | Eaton Corporation | Organic rankine cycle system with lubrication circuit |
| US20200191108A1 (en) * | 2018-12-12 | 2020-06-18 | William J. Diaz | Refrigeration cycle ejector power generator |
| WO2021069802A2 (en) * | 2019-10-11 | 2021-04-15 | Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy | An arrangement |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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