ITCO20090057A1 - DIRECT EVAPORATOR SYSTEM AND METHOD FOR RANKINE ORGANIC CYCLE SYSTEMS - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
CAMPO DELL’INVENZIONE FIELD OF THE INVENTION
Le realizzazioni dell'oggetto divulgato dal presente documento si riferiscono in generale a sistemi per la generazione di energia e, più particolarmente, a sistemi a ciclo Rankine organico (ORC). The embodiments of the object disclosed herein refer in general to systems for the generation of energy and, more particularly, to organic Rankine cycle (ORC) systems.
ARTE NOTA NOTE ART
I cicli Rankine fanno uso di un fluido di lavoro in un ciclo chiuso che raccoglie calore da una sorgente riscaldante, o da una riserva di calore, generando un flusso gassoso caldo che si espande attraverso una turbina per produrre energia. Il flusso espanso viene fatto condensare in un condensatore trasferendo calore a una riserva fredda e pompato nuovamente a una pressione di riscaldamento per completare il ciclo. I sistemi di generazione di energia come le turbine a gas o i motori alternativi (sistemi primari) producono gas di scarico caldi che possono essere impiegati in un successivo processo di generazione di energia (attraverso un processo secondario) oppure dispersi come calore nell’ambiente. Per esempio, lo scarico di un grande motore può essere recuperato in un sistema di recupero del gas di scarico utilizzato per la produzione di energia aggiuntiva, migliorando in tal modo l’efficienza complessiva del sistema. Un sistema comune per la generazione di energia dal calore di scarto è costituito dal ciclo Rankine, come illustrato in Figura 1. Rankine cycles make use of a working fluid in a closed cycle that collects heat from a heating source, or from a heat reserve, generating a hot gaseous flow that expands through a turbine to produce energy. The expanded flow is condensed in a condenser by transferring heat to a cold reservoir and pumped back to a heating pressure to complete the cycle. Energy generation systems such as gas turbines or reciprocating engines (primary systems) produce hot exhaust gases that can be used in a subsequent energy generation process (through a secondary process) or dispersed as heat into the environment. For example, the exhaust of a large engine can be recovered in an exhaust gas recovery system used for the production of additional energy, thereby improving the overall efficiency of the system. A common system for generating energy from waste heat is the Rankine cycle, as illustrated in Figure 1.
Il sistema di generazione di energia 100 comprende uno scambiatore di calore 2, noto anche come boiler, una turbina 4, un condensatore 6 e una pompa 8. Percorrendo questo sistema a circuito chiuso, iniziando dallo scambiatore di calore 2, una sorgente esterna di calore 10, per esempio i gas caldi di scarico, riscalda lo scambiatore 2. In questo modo il mezzo liquido pressurizzato ricevuto 12 si trasforma in vapore in pressione 14, il quale scorre attraverso la turbina 4. La turbina 4 riceve il flusso di vapore in pressione 14 e può produrre l’energia 16 quando il vapore in pressione si espande. Il flusso di vapore 18, espanso a pressione inferiore, rilasciato dalla turbina 4, entra nel condensatore 6, il quale condensa il flusso di vapore 18 espanso a pressione inferiore in un flusso liquido 20 a pressione inferiore. Il flusso liquido 20 a pressione inferiore entra poi nella pompa 8 che genera il flusso liquido a pressione maggiore 22 e mantiene anche il flusso a circuito chiuso nel sistema. Il flusso liquido a pressione maggiore 12 viene poi pompato nello scambiatore di calore 2 per proseguire questo processo. The power generation system 100 comprises a heat exchanger 2, also known as a boiler, a turbine 4, a condenser 6 and a pump 8. Running through this closed-loop system, starting with the heat exchanger 2, an external heat source 10, for example the hot exhaust gases, heats the exchanger 2. In this way the received pressurized liquid medium 12 is transformed into pressurized vapor 14, which flows through the turbine 4. The turbine 4 receives the flow of pressurized steam 14 and can produce the energy 16 when the pressurized vapor expands. The flow of steam 18, expanded at a lower pressure, released by the turbine 4, enters the condenser 6, which condenses the flow of expanded steam 18 at a lower pressure into a liquid flow 20 at a lower pressure. The lower pressure liquid flow 20 then enters the pump 8 which generates the higher pressure liquid flow 22 and also maintains the closed loop flow in the system. The higher pressure liquid flow 12 is then pumped into the heat exchanger 2 to continue this process.
Un fluido organico può essere impiegato come fluido di lavoro in un ciclo Rankine. Tale fluido di lavoro organico viene indicato come fluido per il ciclo Rankine organico (ORC). I sistemi ORC sono stati sviluppati per interventi di riadattamento applicabili a motori e turbine a gas di piccole e medie dimensioni, allo scopo di intercettare il calore di scarto del flusso di scarico del gas caldo. Tale calore di scarto può essere utilizzato in un sistema secondario di generazione di energia per produrre fino al 20% di energia addizionale rispetto all’energia generata dal solo motore che produce il flusso dei gas di scarico. An organic fluid can be employed as a working fluid in a Rankine cycle. This organic working fluid is referred to as the organic Rankine cycle fluid (ORC). The ORC systems have been developed for readjustment interventions applicable to small and medium sized engines and gas turbines, in order to intercept the waste heat of the hot gas exhaust stream. This waste heat can be used in a secondary energy generation system to produce up to 20% of additional energy compared to the energy generated by the engine alone that produces the exhaust gas flow.
Un boiler convenzionale 2, che viene usato spesso per trattare fluidi caldi in condizioni subcritiche, viene ora descritto in riferimento alla Figura 2. Inizialmente un liquido ORC in pressione 204 entra in uno scambiatore di calore 202 in una sezione di preriscaldo 206, solitamente posta verso la parte finale più fredda di un flusso di gas 218, all’interno del condotto di scarico 216. Da una sezione preriscaldante 206, il fluido ORC si muove nella sezione evaporatrice 208, dove evapora. Siccome durante il funzionamento transitorio il fluido ORC potrebbe non evaporare completamente, il fluido ORC esce dalla sezione dell’evaporatore 208 e entra nel tamburo separatore 210, il quale separa il liquido non evaporato. Le forature multiple del condotto 216, che in questo esempio sono quattro, sono indicate dalle X 220. Il vapore quindi rientra nel condotto 216 per entrare nella sezione di surriscaldamento 212 dello scambiatore di calore 202 per essere surriscaldato. Dopodiché il vapore esce come vapore ORC surriscaldato 214 diretto verso la stadio di espansione del ciclo ORC. La Figura 2 illustra un sistema di riscaldamento ORC semplificato. Tuttavia un sistema ORC comprende altri elementi tra la sezione dell’evaporatore 208 e la sezione surriscaldante 212, tradizionalmente collocati fuori dal condotto 216 e non illustrati. A conventional boiler 2, which is often used to treat hot fluids under subcritical conditions, is now described with reference to Figure 2. Initially a pressurized ORC liquid 204 enters a heat exchanger 202 in a preheat section 206, usually located towards the colder final part of a gas flow 218, inside the exhaust duct 216. From a preheating section 206, the ORC fluid moves into the evaporator section 208, where it evaporates. Since during transient operation the ORC fluid may not evaporate completely, the ORC fluid leaves the evaporator section 208 and enters the separator drum 210, which separates the non-evaporated liquid. The multiple holes of the conduit 216, which in this example are four, are indicated by the X 220. The steam then reenters the conduit 216 to enter the superheat section 212 of the heat exchanger 202 to be superheated. Thereafter the steam exits as superheated ORC steam 214 directed towards the expansion stage of the ORC cycle. Figure 2 illustrates a simplified ORC heating system. However, an ORC system includes other elements between the evaporator section 208 and the superheating section 212, traditionally located outside the conduit 216 and not shown.
I sistemi ORC spesso operano al di sotto della pressione critica del fluido di lavoro. Quando un fluido si trova al di sotto del punto critico ma al di sopra del punto triplo (il punto triplo è la condizione nella quale il fluido può coesistere negli stati di solido, liquido e vapore) lungo una curva che collega il punto triplo e il punto critico su un diagramma pressione-temperatura, il fluido può trovarsi allo stato gassoso, liquido, o in trasformazione tra le due fasi, per esempio in corso di evaporazione. Nelle combinazioni di temperatura e pressione sopra il punto critico, cioè quando pressione e temperatura sono entrambe sopra il punto critico, il fluido viene considerato supercritico. Una rappresentazione grafica di queste regioni è illustrata nella Figura 3 e viene descritta di seguito. Alcuni mezzi, compresi i fluidi ORC, possono essere descritti con un diagramma 300 pressione (P) – temperatura (T) per mostrare certe sue caratteristiche al variare delle condizioni di pressione e temperatura. Il punto A rappresenta il punto triplo. Il punto B rappresenta il punto critico, nel quale pressione e temperatura sono entrambe al rispettivo valore Pc e Tc; oltre questo punto non vi è una chiara distinzione tra fase liquida e gassosa, cioè non vi è transizione di fase. La curva 302 che collega A e B rappresenta i punti aventi varie combinazioni di pressione e temperatura dove il mezzo può bollire, essendo la fase gassosa la regione 304 al di sotto della curva 302 e la fase liquida la regione 306 al di sopra della curva 302. ORC systems often operate below the critical pressure of the working fluid. When a fluid is below the critical point but above the triple point (the triple point is the condition in which the fluid can coexist in the states of solid, liquid and vapor) along a curve connecting the triple point and the critical point on a pressure-temperature diagram, the fluid can be in the gaseous, liquid, or transforming state between the two phases, for example during evaporation. In combinations of temperature and pressure above the critical point, i.e. when pressure and temperature are both above the critical point, the fluid is considered supercritical. A graphical representation of these regions is shown in Figure 3 and is described below. Some media, including ORC fluids, can be described with a 300 pressure (P) - temperature (T) diagram to show certain characteristics of it as the pressure and temperature conditions vary. Point A represents the triple point. Point B represents the critical point, in which pressure and temperature are both at their respective values Pc and Tc; beyond this point there is no clear distinction between liquid and gas phase, i.e. there is no phase transition. Curve 302 connecting A and B represents the points having various combinations of pressure and temperature where the medium can boil, the gas phase being the region 304 below the curve 302 and the liquid phase the region 306 above the curve 302 .
Una regione subcritica è definita dai punti della curva 302 posti lungo un 50% inferiore della curva 302. I sistemi ORC di solito funzionano nella regione subcritica utilizzando diversi tipi di progettazione dello scambiatore di calore. Uno di tali scambiatori di calore è quello del tipo a piastre ed alette, generalmente considerato di tipo compatto. Tuttavia gli scambiatori di calore compatti non vengono di solito utilizzati per riscaldare un fluido di lavoro nella regione prossima a quella critica (quasi-critica) o supercritica nei sistemi ORC, perché la pressione di vapore relativamente bassa prodotta durante l’ebollizione provoca cadute di pressione eccessive, ai fini pratici, negli stretti canali all’interno dello scambiatore stesso. Per questo motivo il sistema a piastre ed alette viene utilizzato nelle regioni subcritiche. I sistemi ORC che operano nella regione supercritica possono produrre un aumento di efficienza nel sistema di generazione di energia. Tuttavia gli scambiatori operanti in tali regioni sono di realizzazione costosa. Perciò sono desiderabili sistemi e metodi per ridurre il costo e migliorare l’efficienza nell’impiego dei sistemi ORG nei sistemi di generazione di energia. A subcritical region is defined by points on curve 302 placed along a lower 50% of curve 302. ORC systems usually operate in the subcritical region using different types of heat exchanger designs. One of these heat exchangers is that of the plate and fin type, generally considered to be of the compact type. However, compact heat exchangers are usually not used to heat a working fluid in the near critical (quasi-critical) or supercritical region in ORC systems, because the relatively low vapor pressure produced during boiling causes pressure drops. excessive, for practical purposes, in the narrow channels inside the exchanger itself. For this reason the plate and fin system is used in the subcritical regions. ORC systems operating in the supercritical region can produce an increase in efficiency in the power generation system. However, the exchangers operating in these regions are expensive to manufacture. Therefore, systems and methods are desirable to reduce the cost and improve efficiency in the use of ORG systems in power generation systems.
DESCRIZIONE SOMMARIA SUMMARY DESCRIPTION
Secondo una realizzazione esemplificativa, un sistema per la generazione di energia che impiega un ciclo organico Rankine (ORC) comprende: Uno scambiatore di calore configurato per essere installato entro un condotto, lo scambiatore configurato per comprendere una sola entrata che attraversa il condotto dall’esterno all’interno del condotto di scarico, una sola uscita che attraversa il condotto dall’interno all’esterno, e un tubo che collega la singola entrata con la singola uscita, trovandosi detto tubo completamente all’interno del condotto. Lo scambiatore di calore è configurato per ricevere un fluido ORC dall’unico ingresso, sotto forma di liquido in pressione avente una pressione superiore o uguale a quella critica del fluido ORC, per riscaldare il fluido ORC a una temperatura maggiore o uguale a quella critica del fluido ORC, e per far uscire il fluido ORC attraverso l’unica uscita come fluido supercritico. Il fluido supercritico viene definito come quello avente una temperatura maggiore della temperatura critica e una pressione maggiore della pressione critica. According to an exemplary embodiment, an energy generation system employing an organic Rankine cycle (ORC) comprises: A heat exchanger configured to be installed within a duct, the exchanger configured to comprise a single inlet that passes through the duct from the outside inside the exhaust duct, a single outlet that passes through the duct from the inside to the outside, and a pipe that connects the single inlet with the single outlet, since said pipe is completely inside the duct. The heat exchanger is configured to receive an ORC fluid from the single inlet, in the form of a pressurized liquid having a pressure greater than or equal to the critical pressure of the ORC fluid, to heat the ORC fluid to a temperature greater than or equal to the critical one of the ORC fluid. ORC fluid, and to let the ORC fluid out through the single outlet as a supercritical fluid. Supercritical fluid is defined as having a temperature greater than the critical temperature and a pressure greater than the critical pressure.
Secondo una ulteriore realizzazione esemplificativa, un sistema per la generazione di energia che impiega un ciclo organico Rankine (ORC) comprende: uno scambiatore configurato per essere montato entro un condotto. Lo scambiatore di calore è configurato per comprendere una entrata che attraversa il condotto dall’esterno all’interno ed è configurata per ricevere un fluido ORC, una uscita che attraversa il condotto dall’interno all’esterno ed è configurata per far uscire il fluido ORC, e un tubo che collega l’entrata con l’uscita, ed è inoltre configurato per riscaldare il fluido ORC. Lo scambiatore di calore è configurato per operare in una regione quasi-critica del fluido ORC. La regione quasi-critica del fluido ORC è descritta da una metà superiore della curva che collega il punto triplo e il punto critico del fluido ORC, e la curva è definita dai valori di pressione e temperatura che definiscono i punti di ebollizione del fluido ORC. According to a further exemplary embodiment, an energy generation system employing an organic Rankine cycle (ORC) comprises: an exchanger configured to be mounted within a conduit. The heat exchanger is configured to include an inlet that passes through the duct from the outside to the inside and is configured to receive an ORC fluid, an outlet that passes through the duct from the inside to the outside and is configured to let the ORC fluid out , and a tube that connects the inlet with the outlet, and is also configured to heat the ORC fluid. The heat exchanger is configured to operate in a quasi-critical region of the ORC fluid. The quasi-critical region of the ORC fluid is described by an upper half of the curve connecting the triple point and the critical point of the ORC fluid, and the curve is defined by the pressure and temperature values that define the boiling points of the ORC fluid.
Secondo una ulteriore realizzazione esemplificativa, un metodo per eseguire lo scambio di calore in un sistema per la generazione di energia che impiega un ciclo organico Rankine (ORC) comprende: il ricevimento del calore emesso da una sorgente da parte di uno scambiatore di calore, dove tale scambiatore di calore è configurato per essere montato completamente entro un condotto, avendo tale scambiatore un unico ingresso, un tubo e un’unica uscita; il ricevimento di detto fluido ORC come liquido pressurizzato a una pressione maggiore o uguale alla pressione critica all’unico ingresso che attraversa il condotto dall’esterno all’interno; l’uscita di detto fluido ORC in fase supercritica dall’unica uscita che attraversa il condotto dall’interno all’esterno; e il passaggio del fluido ORC attraverso il tubo tra l’unico ingresso e l’unica uscita. Il tubo è presente interamente all’interno del condotto. Il fluido ORC viene riscaldato per passare da liquido in pressione a fluido supercritico. Lo scambiatore di calore è configurato per riscaldare il fluido ORC a temperature maggiori o uguali della temperatura critica del fluido ORC e per far uscire il fluido ORC attraverso l’unica uscita come fluido supercritico. Il fluido supercritico viene definito come quello avente una temperatura maggiore della temperatura critica e una pressione maggiore della pressione critica. According to a further exemplary embodiment, a method for performing heat exchange in an energy generation system employing an organic Rankine cycle (ORC) comprises: receiving the heat emitted from a source by a heat exchanger, where this heat exchanger is configured to be completely mounted inside a duct, having a single inlet, a pipe and a single outlet; the receipt of said ORC fluid as a pressurized liquid at a pressure greater than or equal to the critical pressure at the only inlet that crosses the duct from the outside to the inside; the exit of said ORC fluid in the supercritical phase from the single outlet that crosses the duct from the inside to the outside; and the passage of the ORC fluid through the tube between the only inlet and the only outlet. The pipe is present entirely inside the duct. The ORC fluid is heated to change from liquid under pressure to supercritical fluid. The heat exchanger is configured to heat the ORC fluid to temperatures greater than or equal to the critical temperature of the ORC fluid and to let the ORC fluid out through the single outlet as a supercritical fluid. Supercritical fluid is defined as having a temperature greater than the critical temperature and a pressure greater than the critical pressure.
Secondo una ulteriore realizzazione esemplificativa, un metodo per riscaldare un fluido per ciclo Rankine organico (ORC) in uno scambiatore di calore comprende: il ricevimento del calore emesso da una sorgente da parte di uno scambiatore di calore, dove tale scambiatore di calore è configurato per essere montato entro un condotto, avendo tale scambiatore un ingresso, un tubo e un’uscita; il ricevimento di detto fluido ORC come liquido pressurizzato all’ingresso che attraversa il condotto dall’esterno all’interno; l’uscita di detto fluido ORC in una regione quasi-critica dall’uscita che attraversa il condotto dall’interno all’esterno; e il passaggio del fluido ORC attraverso il tubo tra l’ingresso e l’uscita, trovandosi il tubo entro il condotto. Il fluido ORC viene riscaldato per passare da liquido in pressione alla regione quasi-critica. La regione quasi-critica del fluido ORC è descritta da una metà superiore della curva che collega il punto triplo e il punto critico del fluido ORC, e la curva è definita dai valori di pressione e temperatura che definiscono i punti di ebollizione del fluido ORC. According to a further exemplary embodiment, a method for heating an organic Rankine cycle fluid (ORC) in a heat exchanger comprises: receiving the heat emitted from a source by a heat exchanger, where such a heat exchanger is configured to be mounted inside a duct, having such an exchanger an inlet, a pipe and an outlet; the receipt of said ORC fluid as a pressurized liquid at the inlet that passes through the duct from the outside to the inside; the outlet of said ORC fluid in a quasi-critical region from the outlet that crosses the duct from the inside to the outside; and the passage of the ORC fluid through the pipe between the inlet and the outlet, the pipe being located within the duct. The ORC fluid is heated to pass from liquid under pressure to the quasi-critical region. The quasi-critical region of the ORC fluid is described by an upper half of the curve connecting the triple point and the critical point of the ORC fluid, and the curve is defined by the pressure and temperature values that define the boiling points of the ORC fluid.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
I disegni allegati definiscono le realizzazioni esemplificative, dove La Figura 1 illustra un ciclo Rankine convenzionale; The accompanying drawings define exemplary embodiments, where Figure 1 illustrates a conventional Rankine cycle;
La Figura 2 illustra uno scambiatore di calore che utilizza un fluido organico, posto entro un condotto di scarico: Figure 2 illustrates a heat exchanger that uses an organic fluid, placed within an exhaust duct:
La Figura 3 mostra il generico diagramma di un passaggio di fase; La Figura 4 illustra uno scambiatore a passaggio unico secondo le realizzazioni esemplificative; Figure 3 shows the generic diagram of a phase shift; Figure 4 illustrates a single passage exchanger according to the exemplary embodiments;
La Figura 5 illustra uno scambiatore a passaggio unico previsto per il funzionamento nelle regioni subcritica e prossime a quella critica secondo le realizzazioni esemplificative; Figure 5 illustrates a single passage exchanger provided for operation in the subcritical and proximate to critical regions according to the exemplary embodiments;
La Figura 6 illustra uno scambiatore a passaggio unico previsto per il funzionamento nelle regioni subcritica e prossime a quella critica secondo ulteriori realizzazioni esemplificative; Figure 6 illustrates a single-passage exchanger provided for operation in the subcritical and proximate to the critical regions according to further exemplary embodiments;
La Figura 7 illustra un ciclo ORC previsto per il funzionamento nelle regioni prossime a quella critica secondo le realizzazioni esemplificative; Figure 7 illustrates an ORC cycle intended for operation in the regions proximate to the critical one according to the exemplary embodiments;
La Figura 8 illustra uno scambiatore a tubo verticale secondo le realizzazioni esemplificative; Figure 8 illustrates a vertical tube exchanger according to the exemplary embodiments;
La Figura 9 illustra uno scambiatore a pacco alettato previsto per il funzionamento nella regione critica e nella regione quasi-critica secondo le realizzazioni esemplificative; Figure 9 illustrates a finned pack exchanger intended for operation in the critical region and the quasi-critical region according to exemplary embodiments;
La Figura 10 è un diagramma di flusso che illustra le operazioni per il funzionamento di uno scambiatore di calore in una regione supercritica secondo le realizzazioni esemplificative; e la Figure 10 is a flowchart illustrating the operations for operating a heat exchanger in a supercritical region according to exemplary embodiments; and the
La Figura 11 è un diagramma di flusso che illustra le operazioni per il funzionamento di uno scambiatore di calore in una regione prossima a quella critica secondo le realizzazioni esemplificative. DESCRIZIONE DETTAGLIATA Figure 11 is a flow chart illustrating the operations for the operation of a heat exchanger in a region close to the critical one according to the exemplary embodiments. DETAILED DESCRIPTION
La seguente descrizione dettagliata delle realizzazioni esemplificative fa riferimento ai disegni di accompagnamento. Gli stessi numeri di riferimento in diversi disegni identificano gli stessi elementi o elementi simili. Inoltre i disegni non sono necessariamente in scala. Ulteriormente, la seguente descrizione dettagliata non limita l’invenzione. Il campo d’applicazione dell’invenzione è invece definito dalle rivendicazioni allegate. Per semplicità, la seguente descrizione fa riferimento allo scambiatore di calore posto in un condotto entro il quale passano gas di scarico. Tuttavia la sorgente di calore può essere altra, per esempio, acqua geotermica, e lo scambiatore potrebbe non trovarsi entro il condotto. The following detailed description of the exemplary embodiments refers to the accompanying drawings. The same reference numerals in different drawings identify the same or similar elements. Furthermore, the drawings are not necessarily to scale. Further, the following detailed description does not limit the invention. The field of application of the invention is instead defined by the attached claims. For simplicity, the following description refers to the heat exchanger placed in a duct through which the exhaust gases pass. However, the heat source may be other, for example, geothermal water, and the exchanger may not be located within the duct.
In tutta la descrizione dettagliata il riferimento a “una realizzazione” sta a indicare che una particolare caratteristica, struttura o proprietà descritta in relazione a una realizzazione, è inclusa in almeno una realizzazione dell’oggetto divulgato. Pertanto, l'utilizzo delle espressioni "in una realizzazione" in vari punti della descrizione dettagliata non farà necessariamente riferimento alla medesima realizzazione. Tuttavia, le particolari caratteristiche, strutture o proprietà possono essere combinate in qualsiasi modalità idonea in una o più realizzazioni. Throughout the detailed description, the reference to "a realization" indicates that a particular feature, structure or property described in relation to a realization is included in at least one realization of the disclosed object. Therefore, the use of the expressions "in one embodiment" at various points of the detailed description will not necessarily refer to the same embodiment. However, the particular features, structures or properties can be combined in any suitable way in one or more embodiments.
Come è stato descritto nella sezione dell'Arte nota e illustrato nella Figura 1, è possibile impiegare un ciclo Rankine nei sistemi di generazione di energia secondari, al fine di riutilizzare parte dell’energia di scarto contenuta nei gas di scarico del sistema primario di produzione di energia. Un sistema primario produce la maggior parte dell’energia, scartandone tuttavia una parte. Un sistema secondario può essere impiegato per intercettare una parte dell’energia scartata dal sistema primario. Un sistema ORC può essere impiegato in tali sistemi di produzione dell’energia, in funzione delle temperature del sistema e di altre specifiche relative ai sistemi. Secondo le realizzazioni esemplificative, i sistemi ORC possono essere utilizzati nei sistemi di produzione di energia dotati di turbine a gas di dimensioni da piccole a medie, per intercettare calore/energia aggiuntivi dal flusso dei gas di scarico caldi. Esempi di fluidi ORC comprendono, ma non sono limitati ad essi, pentano, propano, cicloesano, ciclopentano, butano, un idroflourocarburo come il R-245fa, un chetone come l’acetone, un composto aromatico come il toluene o il tiofene. As described in the section of the prior art and illustrated in Figure 1, it is possible to use a Rankine cycle in secondary power generation systems, in order to reuse part of the waste energy contained in the exhaust gases of the primary production system. of energy. A primary system produces most of the energy, however discarding a part of it. A secondary system can be used to intercept part of the energy discarded by the primary system. An ORC system can be used in such energy production systems, depending on the system temperatures and other system specifications. According to exemplary embodiments, ORC systems can be used in power generation systems equipped with small to medium sized gas turbines, to intercept additional heat / energy from the hot exhaust gas stream. Examples of ORC fluids include, but are not limited to, pentane, propane, cyclohexane, cyclopentane, butane, a hydroflourocarbon such as R-245fa, a ketone such as acetone, an aromatic compound such as toluene or thiophene.
Secondo una realizzazione esemplificativa, è possibile impiegare uno scambiatore di calore diretto a passaggio singolo per ridurre le dimensioni e il costo e migliorare l’efficienza, come illustrato nella figura 4. Secondo una realizzazione esemplificativa, uno scambiatore di calore 402 può avere un unico ingresso 404 che attraversa un condotto di scarico 406 e un’unica uscita 408 che attraversa il condotto di scarico 406 e nessun’altra parte dello scambiatore di calore 402 attraversante una parete del condotto di scarico 406. Ciò in contrasto con lo scambiatore di calore tradizionale illustrato in Figura 1, nel quale parti diverse dello scambiatore comunicano attraverso la parete del condotto di scarico con altri elementi posti all’esterno del condotto di scarico. Lo scarico caldo 410 può entrare inizialmente in contatto con lo scambiatore di calore 402 presso l’uscita del fluido di lavoro 408 e i gas di scarico freddi (o relativamente più freddi) 412 possono lasciare lo scambiatore di calore in prossimità dell’ingresso del fluido di lavoro 404. Questo scambiatore di calore rappresentativo può essere impiegato con vari fluidi di lavoro e in diverse condizioni di pressione e temperatura. Inoltre, sebbene come sorgente di calore la Figura 1 mostri i gas di scarico caldi 410, è possibile utilizzare nelle realizzazioni esemplificative qui descritte altre sorgenti di calore, come altri gas e liquidi caldi, per esempio salamoia geotermale. According to an exemplary embodiment, a single pass direct heat exchanger can be employed to reduce size and cost and improve efficiency, as illustrated in Figure 4. According to an exemplary embodiment, a heat exchanger 402 may have a single inlet 404 which passes through an exhaust conduit 406 and a single outlet 408 which passes through the exhaust conduit 406 and no other part of the heat exchanger 402 which passes through a wall of the exhaust conduit 406. This is in contrast to the conventional heat exchanger illustrated in Figure 1, in which different parts of the exchanger communicate through the wall of the exhaust duct with other elements placed outside the exhaust duct. The hot exhaust 410 may initially contact the heat exchanger 402 at the working fluid outlet 408 and the cold (or relatively colder) exhaust gases 412 may leave the heat exchanger near the inlet of the working fluid. 404. This representative heat exchanger can be used with various working fluids and under different pressure and temperature conditions. Further, although Figure 1 shows hot exhaust gases 410 as the heat source, other heat sources, such as other hot gases and liquids, for example geothermal brine, can be used in the exemplary embodiments described herein.
Inoltre, secondo le realizzazioni esemplificative, la sorgente fluida calda, per esempio un gas o un liquido di scarico, come un flusso di salamoia geotermale, può scorrere in controcorrente rispetto al flusso del fluido di lavoro ORC all’interno della tubazione dello scambiatore di calore 402. Inoltre, secondo le realizzazioni esemplificative, impiegando questo scambiatore di calore a singolo passaggio il flusso di fluido ORC viene portato allo stato gassoso (o allo stato di fluido supercritico) senza che l’ORC esca dal condotto 406, contrariamente a quanto avviene con il sistema convenzionale mostrato in Figura 1. Per questo motivo, il nuovo scambiatore di calore di questa realizzazione esemplificativa viene detto scambiatore a passaggio unico. Per fare in modo che lo scambiatore di calore a passaggio unico produca un fluido ORC nello stato supercritico, le sue dimensioni vengono calcolate in base alla portata in massa e delle proprietà dello specifico fluido ORC che vi scorre attraverso, e in base alla portata in massa e della temperatura del mezzo utilizzato come fonte di calore nello scambiatore stesso. Further, according to the exemplary embodiments, the hot fluid source, for example a waste gas or liquid, such as a geothermal brine stream, can flow counter-current to the ORC working fluid flow within the heat exchanger pipeline. 402. Furthermore, according to the exemplary embodiments, by using this single-pass heat exchanger the flow of ORC fluid is brought to the gaseous state (or to the state of supercritical fluid) without the ORC leaving the duct 406, contrary to what happens with the conventional system shown in Figure 1. For this reason, the new heat exchanger of this exemplary embodiment is called a single pass exchanger. In order for the single pass heat exchanger to produce an ORC fluid in the supercritical state, its dimensions are calculated based on the mass flow rate and properties of the specific ORC fluid flowing through it, and based on the mass flow rate and the temperature of the medium used as a source of heat in the exchanger itself.
Secondo una realizzazione esemplificativa, lo scambiatore di calore 402 può funzionare in una regione supercritica. In questo caso preso ad esempio, il fluido ORC 414 entra nello scambiatore allo stato liquido o quasi liquido ad una temperatura uguale o prossima a quella critica (Pc) per il tipo di ORC utilizzato. Può essere desiderabile che la pressione del fluido di lavoro ORC all’ingresso dello scambiatore di calore 402 sia maggiore della pressione critica del fluido ORC, per compensare le diminuzioni di pressione relativamente ridotte che possono verificarsi ad esempio a causa di ostruzioni del flusso. Il fluido ORC si riscalda passando nella tubazione dello scambiatore di calore 402, e prima di uscire da esso raggiunge una temperatura uguale o maggiore di quella critica per il fluido ORC (Tc). Pertanto il fluido ORC in uscita 416 è, in questo caso esemplificativo, un fluido ORC supercritico. In funzione del tipo di fluido ORC impiegato, la temperatura critica può essere circa 240<0>C e la pressione critica può essere circa 45 bar. According to an exemplary embodiment, the heat exchanger 402 can operate in a supercritical region. In this case taken as an example, the ORC fluid 414 enters the exchanger in a liquid or quasi-liquid state at a temperature equal to or close to the critical one (Pc) for the type of ORC used. It may be desirable that the pressure of the ORC working fluid at the inlet of the heat exchanger 402 is greater than the critical pressure of the ORC fluid, to compensate for the relatively small pressure drops that may occur, for example, due to flow obstructions. The ORC fluid heats up by passing into the pipeline of the heat exchanger 402, and before leaving it it reaches a temperature equal to or greater than the critical one for the ORC fluid (Tc). Therefore the ORC fluid at the outlet 416 is, in this exemplary case, a supercritical ORC fluid. Depending on the type of ORC fluid used, the critical temperature can be about 240 <0> C and the critical pressure can be about 45 bar.
Secondo le realizzazioni esemplificative, possono essere impiegati vari altri tipi di scambiatore di calore nella funzione di scambiatore di calore a passaggio unico illustrato nella figura 4. Per esempio, la progettazione di scambiatori di calore esemplificativi può comprendere, per applicazioni ORC supercritiche, ma non in modo limitativo, scambiatori di calore a piastre, a pacco alettato, a fascio tubiero e mantello, ad alette-tubi compatti, ad alette-tubi continui. Poiché questi tipi di scambiatori sono noti allo stato dell’arte, ne viene omessa la descrizione. Inoltre, questo processo esemplificativo può essere allargato all’esecuzione in serie o in parallelo per raggiungere la scala, la capacità termica e la temperatura desiderate. Pertanto, è possibile impiegare più di un condotto tra l’ingresso 404 e l’uscita 408. According to the exemplary embodiments, various other types of heat exchanger may be employed in the single pass heat exchanger function illustrated in Figure 4. For example, the design of exemplary heat exchangers may include, for supercritical, but not in limiting mode, plate heat exchangers, finned pack, shell and tube heat exchangers, compact fins-tubes, continuous fins-tubes. Since these types of exchangers are known in the state of the art, their description is omitted. Furthermore, this exemplary process can be extended to run in series or in parallel to achieve the desired scale, heat capacity and temperature. Therefore, it is possible to use more than one duct between inlet 404 and outlet 408.
Secondo un’altra realizzazione esemplificativa, gli scambiatori di calore a passaggio unico possono essere impiegati in applicazioni ORC a temperatura subcritica e quasi-critica, come indicato nella figura 5. Un’applicazione ORC quasi-critica può essere definita dai punti sulla curva 302 nella Figura 3 che stanno nella parte del 50% superiore della curva. Inoltre, secondo le realizzazioni esemplificative, i punti quasicritici possono comprendere quelli che hanno pressioni e temperature che stanno nelle vicinanze del punto critico. In riferimento alla Figura 5, un liquido pressurizzato OTC 514 entra nello scambiatore di calore 502 attraverso un ingresso 510 (sebbene non sia visibile, ciascun ingresso/uscita corrisponde a una foratura del condotto di scarico prodotta dalle tubazioni) nella sezione di preriscaldamento 504 dello scambiatore di calore 502. La sezione di preriscaldamento 504 si trova verso la fine dello scambiatore di calore 502, dove il gas di scarico più freddo 520 lascia lo scambiatore di calore 502. Il liquido pre-riscaldato si muove quindi verso un boiler o una sezione di evaporazione 506 dove avviene l’evaporazione. Dopo l’evaporazione, il vapore ORC procede verso uno stadio di surriscaldamento 508 dello scambiatore di calore. In questa realizzazione esemplificativa, la sezione di evaporazione 506 si trova tra la sezione di pre-riscaldamento 504 e la sezione di surriscaldamento 508 dello scambiatore 502, essendo la sezione surriscaldante 508 posta più vicino al punto di ingresso del gas di scarico caldo 518. Dopo il surriscaldamento, il vapore ORC surriscaldato 516 si trova all’uscita 512 dello scambiatore di calore 502 e avanza verso il passo successivo del ciclo di generazione di energia, cioè l’espansione. According to another exemplary embodiment, single pass heat exchangers can be employed in subcritical and quasi-critical temperature ORC applications, as indicated in Figure 5. A quasi-critical ORC application can be defined by the points on curve 302 in Figure 3 which are in the upper 50% part of the curve. Further, according to the exemplary embodiments, the quasicritical points may include those having pressures and temperatures that are in the vicinity of the critical point. Referring to Figure 5, a pressurized liquid OTC 514 enters the heat exchanger 502 through an inlet 510 (although not visible, each inlet / outlet corresponds to a hole in the exhaust duct produced by the piping) in the preheating section 504 of the exchanger heat exchanger 502. The preheating section 504 is located towards the end of the heat exchanger 502, where the colder exhaust gas 520 leaves the heat exchanger 502. The preheated liquid then moves to a boiler or a section of evaporation 506 where evaporation occurs. After evaporation, the ORC vapor proceeds to a superheat stage 508 of the heat exchanger. In this exemplary embodiment, the evaporation section 506 is located between the preheating section 504 and the superheating section 508 of the exchanger 502, the superheating section 508 being located closer to the inlet point of the hot exhaust gas 518. Afterwards superheat, superheated ORC vapor 516 is at the outlet 512 of the heat exchanger 502 and advances to the next step of the power generation cycle, i.e. expansion.
Secondo una realizzazione esemplificativa alternativa, la posizione dei vari stadi di scambio del calore può aver luogo in differenti posizioni all’interno dello scambiatore di calore 502, come illustrato nella figura 6. In questa realizzazione esemplificativa alternativa, le posizioni delle sezioni di surriscaldamento 508 e la sezione di evaporazione 506 sono invertite. Questa modifica comporta che la sezione di evaporazione sia posta più vicino all’ingresso dei gas di scarico caldi 508 nello scambiatore di calore 502. Inoltre questa modifica può alterare il punto di uscita relativo 512 dallo scambiatore di calore 502 (e dal condotto di scarico, non mostrato) del vapore surriscaldato ORC 516, nonché, in alcuni casi esemplificativi, mitigare le temperature altrimenti eccessive del fluido in certe condizioni dei gas di scarico del fluido ORC. Questa modifica di ordine all’interno dello scambiatore di calore 502 può essere impiegata nei sistemi ORC quasi-critici e subcritici. According to an alternative exemplary embodiment, the position of the various heat exchange stages may take place in different positions within the heat exchanger 502, as illustrated in Figure 6. In this alternative exemplary embodiment, the positions of the superheat sections 508 and the evaporation section 506 are reversed. This modification results in the evaporation section being placed closer to the hot exhaust gas inlet 508 into the heat exchanger 502. Also this modification can alter the relative exit point 512 from the heat exchanger 502 (and the exhaust duct, not shown) of superheated vapor ORC 516, as well as, in some exemplary cases, mitigating otherwise excessive temperatures of the fluid under certain conditions of the exhaust gases of the ORC fluid. This change of order inside the heat exchanger 502 can be used in quasi-critical and subcritical ORC systems.
Secondo altre realizzazioni esemplificative, vari tipi di scambiatori di calore possono realizzare la progettazione del tipo a passaggio unico, nei sistemi ORC subcritici e quasi-critici, come indicato nella Figure 4-6. Per esempio, tipi esemplificativi di scambiatori di calore possono comprendere, ma non in modo limitativo, scambiatori a piastre, a tubi verticali (come in Figura 8), a pacco alettato (come in Figura 9), a fascio tubiero e mantello, ad alette-tubi compatti. Inoltre, la progettazione a passaggio unico dello scambiatore di calore permette di ridurre i costi (e i requisiti di ingombro) associati allo scambiatore eliminando vari stadi intermedi convenzionali, come ad esempio un separatore tra evaporazione e surriscaldamento, altri stadi di immagazzinamento, eccetera. Inoltre, si possono realizzare riduzioni di costo grazie alla potenziale riduzione della manutenzione del sistema e delle fermate, dovute alla riduzione dei componenti ottenuta impiegando tali scambiatori di calore a passaggio unico esemplificativi. Secondo questa realizzazione esemplificativa, questo processo esemplificativo può essere allargato all’esecuzione in serie o in parallelo per raggiungere la scala e la capacità desiderate. According to other exemplary embodiments, various types of heat exchangers can realize the design of the single pass type, in the subcritical and quasi-critical ORC systems, as indicated in Figures 4-6. For example, exemplary types of heat exchangers may include, but are not limited to, plate, vertical tube (as in Figure 8), finned pack (as in Figure 9), shell and tube, fin - compact pipes. In addition, the single pass design of the heat exchanger reduces the costs (and space requirements) associated with the heat exchanger by eliminating various conventional intermediate stages, such as a separator between evaporation and superheat, other storage stages, etc. In addition, cost reductions can be achieved due to the potential reduction in system maintenance and downtime due to component reduction achieved by using such exemplary single pass heat exchangers. According to this exemplary embodiment, this exemplary process can be extended to run in series or in parallel to achieve the desired scale and capacity.
Come descritto in precedenza, secondo le realizzazioni esemplificative, può essere impiegato uno scambiatore a passaggio unico per il funzionamento dei sistemi ORC nelle regioni subcritica e quasi-critica. I sistemi ORC quasi-critici permettono alcuni dei miglioramenti di efficienza raggiungibili con i sistemi ORC supercritici, utilizzando tuttavia, secondo quanto si desidera, i componenti fisici dei meno costosi sistemi ORC sub-critici. I sistemi ORC quasi-critici sono configurati per il funzionamento in combinazioni di temperatura e pressione lungo la parte del 10% superiore o del 20% superiore o del 50% superiore della curva 302 (vedere Figura 3) che collega il punto triplo al punto critico per un fluido ORC, e anche ai punti descritti nel piano pressione-temperatura come aventi pressione inferiore a quella critica. La curva 302 definisce il punto di condensazione/ebollizione per il fluido ORC alle varie combinazioni di pressione/temperatura. Pertanto, i sistemi ORC quasi-critici sono configurati per funzionare in modo tale che una pressione P del mezzo sia inferiore a Pc e una temperatura T del mezzo sia inferiore a Tc, negli stadi di preriscaldamento e di evaporazione. Tuttavia, secondo le realizzazioni esemplificative, in alcuni casi la pressione può essere superiore al valore del punto critico. Dopo l’evaporazione, per esempio, durante il surriscaldamento, T può superare Tc creando un vapore surriscaldato finché P resta inferiore a Pc. Secondo realizzazioni esemplificative alternative, i sistemi ORC quasi-critici possono operare anche utilizzando scambiatori di calore convenzionali con tubazioni che entrano ed escono dal condotto dei gas di scarico due o più volte, per esempio la tubazione esce per conferire il fluido a un separatore e poi riporta il solo vapore entro il condotto. As described above, according to the exemplary embodiments, a single-pass exchanger can be employed for the operation of the ORC systems in the subcritical and quasi-critical regions. Quasi-critical ORC systems allow for some of the efficiency improvements achievable with supercritical ORC systems, while using the physical components of less expensive sub-critical ORC systems as desired. Quasi-critical ORC systems are configured to operate in combinations of temperature and pressure along the top 10% or top 20% or top 50% portion of curve 302 (see Figure 3) that connects the triple point to the critical point for an ORC fluid, and also at the points described in the pressure-temperature plan as having a pressure lower than the critical one. Curve 302 defines the condensation / boiling point for the ORC fluid at various pressure / temperature combinations. Therefore, quasi-critical ORC systems are configured to operate in such a way that a medium pressure P is lower than Pc and a medium temperature T is lower than Tc, in the preheating and evaporation stages. However, according to the exemplary embodiments, in some cases the pressure may be higher than the critical point value. After evaporation, for example, during overheating, T can exceed Tc creating superheated steam as long as P remains lower than Pc. According to alternative exemplary embodiments, quasi-critical ORC systems can also operate using conventional heat exchangers with piping entering and leaving the flue gas duct two or more times, for example the piping exits to deliver the fluid to a separator and then brings only the steam back into the duct.
Secondo le realizzazioni esemplificative, un fluido ORC, per esempio ciclopentano o isopentano può essere usato in sistemi di generazione di energia OCR quasi-critici come descritto in riferimento al sistema di generazione di energia 700 illustrato nella Figura 7. In questa realizzazione esemplificativa, il punto critico del fluido ORC viene definito all’incirca a 45 bar e 240<0>C. Iniziando dalla pompa 702 nel sistema di generazione di energia a circuito chiuso 700, il fluido ORC viene ricevuto come un liquido a pressione e temperatura relativamente basse, per esempio 1 bar a 50<0>C, e viene pressurizzato almeno a 40 bar (per confronto, un sistema ORC subcritico standard funziona nel lato ad alta pressione a circa 20 bar). Il fluido ORC pressurizzato passa attraverso un recuperatore 704 e viene riscaldato a circa 110<0>C prima di essere ricevuto da una sezione preriscaldante 708 dello scambiatore di calore 706. Lo scambiatore di calore riceve, per esempio, un gas di scarico a 500º C, che riscalda i vari stadi dello scambiatore di calore 706. Questi stadi possono comprendere il preriscaldatore 708 e un boiler/surriscaldatore 710. In alternativa, possono essere impiegati vari altri tipi di scambiatore di calore, per esempio, scambiatori di calore a passaggio unico illustrati nelle Figure 5 e 6. Dopo il riscaldamento del fluido ORC, i gas di scarico escono dallo scambiatore di calore 706 a, per esempio, 120° C. According to the exemplary embodiments, an ORC fluid, for example cyclopentane or isopentane can be used in quasi-critical OCR power generation systems as described with reference to the power generation system 700 illustrated in Figure 7. In this exemplary embodiment, the point critical of the ORC fluid is defined at approximately 45 bar and 240 <0> C. Starting from pump 702 in closed loop power generation system 700, the ORC fluid is received as a liquid at relatively low pressure and temperature, for example 1 bar at 50 <0> C, and is pressurized to at least 40 bar (for comparison, a standard subcritical ORC system works in the high pressure side at about 20 bar). The pressurized ORC fluid passes through a recuperator 704 and is heated to approximately 110 <0> C before being received by a preheating section 708 of the heat exchanger 706. The heat exchanger receives, for example, an exhaust gas at 500ºC. , which heats the various stages of the heat exchanger 706. These stages may include the preheater 708 and a boiler / superheater 710. Alternatively, various other types of heat exchanger may be employed, for example, single pass heat exchangers illustrated in Figures 5 and 6. After heating the ORC fluid, the exhaust gases exit the heat exchanger 706 at, for example, 120 ° C.
Come descritto in precedenza, il fluido ORC in pressione entra nel preriscaldatore 708 e poi si sposta verso il boiler/surriscaldatore 710. Come il fluido ORC arriva allo scambiatore di calore a una pressione prossima, ma inferiore, a quella critica, evapora (e viene eventualmente surriscaldato) a una temperatura prossima a quella critica, e il fluido ORC esce dallo scambiatore come vapore ad alta pressione o vapore surriscaldato ad alta pressione, per esempio a 40 bar e 250° C, e procede verso la turbina 712 per la produzione di energia e l’espansione. Il vapore ORC esce dalla turbina 712 a pressione inferiore a quella di entrata e passa poi attraverso il recuperatore 704, che raffredda il vapore. Il vapore ORC entra quindi in un condensatore 714, dove condensa in fase liquida e viene riportato verso la pompa 702 come liquido a bassa pressione. As previously described, the pressurized ORC fluid enters the preheater 708 and then moves to the boiler / superheater 710. As the ORC fluid reaches the heat exchanger at a pressure close to, but lower than, critical, it evaporates (and is possibly superheated) to a temperature close to the critical one, and the ORC fluid leaves the exchanger as high pressure steam or high pressure superheated steam, for example at 40 bar and 250 ° C, and proceeds towards the turbine 712 for the production of energy and expansion. The ORC steam leaves the turbine 712 at a pressure lower than the inlet pressure and then passes through the recuperator 704, which cools the steam. The ORC vapor then enters a condenser 714, where it condenses into the liquid phase and is returned to the pump 702 as a low pressure liquid.
Mentre varie pressioni e temperature sono illustrate in Figura 7, sono possibili variazioni di questi valori puramente illustrativi, che tuttavia non alterano in modo significativo la capacità del sistema di operare nel modo desiderato. Inoltre, il tipo di generatore dei gas di scarico può influire sulla temperatura di ingresso dei gas di scarico, la quale può essere compensata ad esempio aumentando la lunghezza della tubazione utilizzata nello scambiatore 708. Inoltre si possono utilizzare varie combinazioni di temperatura e pressione per diversi fluidi ORC e/o in funzione della diversa posizione nella regione quasi-critica. While various pressures and temperatures are illustrated in Figure 7, variations of these purely illustrative values are possible, which however do not significantly alter the ability of the system to operate as desired. In addition, the type of exhaust gas generator can affect the inlet temperature of the exhaust gases, which can be compensated for, for example, by increasing the length of the piping used in the 708 exchanger. In addition, various combinations of temperature and pressure can be used for different ORC fluids and / or as a function of the different position in the quasi-critical region.
Come descritto in precedenza, secondo le realizzazioni esemplificative, possono essere impiegati vari tipi di scambiatore di calore per il funzionamento dei sistemi ORC nella regione quasi-critica. Per esempio, è possibile impiegare una bancata di tubi verticali 802 come mostrato nella Figura 8. La bancata di tubi verticali 802 può essere montata all’interno del tubo di scarico 804. La bancata di tubi verticali 802 comprende un fascio di tubi disposti verticalmente nei quali il fluido di lavoro ORC viene vaporizzato, sormontata da un serbatoio che distribuisce uniformemente tra i tubi il liquido non evaporato. As described above, according to the exemplary embodiments, various types of heat exchanger can be employed for the operation of the ORC systems in the quasi-critical region. For example, a bank of vertical pipes 802 can be used as shown in Figure 8. The bank of vertical pipes 802 can be mounted inside the discharge pipe 804. The bank of vertical pipes 802 comprises a bundle of pipes arranged vertically in the which the working fluid ORC is vaporized, surmounted by a reservoir that uniformly distributes the non-evaporated liquid between the pipes.
Secondo realizzazioni esemplificative, un sistema per la generazione di energia che impiega un ciclo organico Rankine (ORC) in uno scambiatore di calore comprende: un ingresso che attraversa un condotto di scarico dall’esterno verso l’interno; un’uscita che attraversa il condotto di scarico dall’interno verso l’esterno; un tubo che collega direttamente e fluidamente l’ingresso e l’uscita, configurato per: (i) ricevere un fluido ORC a pressione maggiore di quella critica sua propria e aumentarne la temperatura sopra il valore critico mentre il fluido stesso si trova entro lo scambiatore, oppure (ii) ricevere il fluido ORC e aumentarne la temperatura a un valore sub-critico prima che esca dallo scambiatore di calore. Inoltre, la lunghezza del condotto o tubazione utilizzato per collegare ingresso e uscita può avere una lunghezza calcolata. I dati impiegati per il calcolo di detta lunghezza possono comprendere, ma non in modo limitativo, vari parametri, come: temperatura dei gas di scarico, tipo di ORC impiegato, diametro della tubazione, tipo di scambiatore di calore impiegato, limitazioni di spazio, pressione del fluido in ingresso, portata del fluido, campo operativo, cioè sub-critico, quasi-critico, super-critico, e simili. According to exemplary embodiments, an energy generation system that uses an organic Rankine cycle (ORC) in a heat exchanger includes: an inlet that crosses an exhaust duct from the outside to the inside; an outlet that crosses the exhaust duct from the inside to the outside; a tube that connects directly and fluidly inlet and outlet, configured to: (i) receive an ORC fluid at a pressure higher than its own critical pressure and increase its temperature above the critical value while the fluid itself is inside the exchanger , or (ii) receiving the ORC fluid and raising its temperature to a sub-critical value before it exits the heat exchanger. Also, the length of the duct or pipe used to connect the inlet and outlet can have a calculated length. The data used to calculate this length may include, but are not limited to, various parameters, such as: exhaust gas temperature, type of ORC used, pipe diameter, type of heat exchanger used, space limitations, pressure of the inlet fluid, fluid flow rate, operating range, i.e. sub-critical, quasi-critical, super-critical, and the like.
Secondo un’ulteriore realizzazione esemplificativa, lo scambio di calore in un sistema di generazione di energia che impiega un ORC può comprendere il ricevimento di calore proveniente da una fonte di calore da parte di uno scambiatore di calore, laddove lo scambiatore è configurato come uno scambiatore compatto in controcorrente o a flusso incrociato, relativamente poco costoso, come lo scambiatore a piastre o a pacco alettato 902 di Figura 9. Come mostrato nella figura 9, uno scambiatore a pacco alettato 902 comprende sezioni a piastre 904, una sezione ad alette 906, con il fluido che scorre nella direzione indicata dalla freccia 908. Inoltre, è possibile utilizzare barre laterali così come una serie di sezioni a piastre e alette. Tuttavia nelle realizzazioni esemplificative qui descritte è possibile impiegare vari tipi di scambiatori 902 a pacco alettato. According to a further exemplary embodiment, the heat exchange in a power generation system employing an ORC may comprise the receipt of heat from a heat source by a heat exchanger, where the exchanger is configured as an exchanger counter-current or cross-flow compact, relatively inexpensive, such as the plate or finned pack exchanger 902 of Figure 9. As shown in Figure 9, a finned pack exchanger 902 comprises plate sections 904, a finned section 906, with the fluid flowing in the direction indicated by arrow 908. In addition, side bars as well as a series of plate and fin sections can be used. However, in the exemplary embodiments described here it is possible to use various types of finned pack exchangers 902.
Secondo un’ulteriore realizzazione esemplificativa, lo scambiatore 902 riceve ad un ingresso il fluido ORC nella forma di liquido pressurizzato, a una pressione maggiore o eguale a quella critica sua propria, scaricando il fluido ORC in fase supercritica ad un uscita posta all’altra estremità del condotto dello scambiatore. In alternativa, lo scambiatore di calore 902 può ricevere e scaricare il fluido ORC a una pressione prossima a quella critica. In un rispettivo altro condotto, per esempio un condotto di scarico, il mezzo riscaldante scorre da un ingresso a una rispettiva uscita opposta, come mezzo riscaldante liquido o gassoso, dal quale il calore viene trasferito attraverso una parete dell’altro condotto al fluido ORC, raffreddando pertanto il mezzo riscaldante. In tali realizzazioni esemplificative, quando il riscaldamento avviene nella regione quasi-critica o supercritica, il volume occupato dal vapore, ora a pressione relativamente alta, comporta una caduta di pressione assai minore attraverso i passaggi ristretti dello scambiatore compatto come il tipo a piastre o pacco alettato, il che rende siffatti tipi di scambiatori adatti per il funzionamento in queste regioni. According to a further exemplary embodiment, the exchanger 902 receives at an inlet the ORC fluid in the form of pressurized liquid, at a pressure greater than or equal to its own critical one, discharging the ORC fluid in supercritical phase to an outlet located at the other end. of the exchanger duct. Alternatively, the heat exchanger 902 can receive and discharge the ORC fluid at a pressure close to the critical one. In a respective other duct, for example an exhaust duct, the heating medium flows from one inlet to a respective opposite outlet, as a liquid or gaseous heating medium, from which heat is transferred through one wall of the other duct to the ORC fluid, thereby cooling the heating medium. In such exemplary embodiments, when heating occurs in the quasi-critical or supercritical region, the volume occupied by the steam, now at relatively high pressure, results in a much smaller pressure drop across the narrow passages of the compact exchanger such as the plate or pack type. finned, which makes such types of exchangers suitable for operation in these regions.
Facendo uso dei sistemi esemplificatici sopra descritti, secondo una realizzazione esemplificativa, un metodo per eseguire lo scambio di calore è illustrato nel diagramma di flusso di Figura 10. Inizialmente un sistema per eseguire lo scambio termico in un sistema per la generazione di energia che impiega un ciclo organico Rankine (ORC) comprende: il ricevimento del calore emesso da una sorgente nel passaggio 1002 da parte di uno scambiatore di calore, dove tale scambiatore di calore è configurato per essere montato completamente entro un condotto di scarico, avendo tale scambiatore un unico ingresso, un tubo e un’unica uscita; il ricevimento di detto fluido ORC come liquido pressurizzato nell’operazione 1004 a una pressione maggiore o uguale alla pressione critica del fluido ORC all’unico ingresso che attraversa il condotto dall’esterno all’interno; l’uscita di detto fluido ORC in fase supercritica 1006 dall’unica uscita che attraversa il condotto dall’interno all’esterno; e il passaggio del fluido ORC attraverso il tubo tra l’unico ingresso e l’unica uscita nell’operazione 1008, mentre il fluido ORC viene riscaldato per la trasformazione di fase da liquido in pressione alla fluido supercritico. Lo scambiatore di calore è configurato per riscaldare il fluido ORC a una temperatura maggiore o uguale alla temperatura critica del fluido ORC e per far uscire il fluido ORC attraverso l’unica uscita come fluido supercritico, e il fluido supercritico viene definito dal fatto di avere temperatura maggiore della sua temperatura critica e pressione maggiore della sua pressione critica. Making use of the exemplary systems described above, according to an exemplary embodiment, a method for performing heat exchange is illustrated in the flow chart of Figure 10. Initially a system for performing heat exchange in a power generation system employing a Rankine organic cycle (ORC) includes: the receipt of the heat emitted from a source in passage 1002 by a heat exchanger, where this heat exchanger is configured to be completely mounted within an exhaust duct, having this exchanger a single inlet , a tube and a single outlet; the receipt of said ORC fluid as a pressurized liquid in operation 1004 at a pressure greater than or equal to the critical pressure of the ORC fluid at the only inlet that crosses the duct from the outside to the inside; the exit of said ORC fluid in supercritical phase 1006 from the single outlet that crosses the duct from the inside to the outside; and the passage of the ORC fluid through the tube between the single inlet and the only outlet in operation 1008, while the ORC fluid is heated for the transformation of phase from liquid under pressure to supercritical fluid. The heat exchanger is configured to heat the ORC fluid to a temperature greater than or equal to the critical temperature of the ORC fluid and to let the ORC fluid out through the only outlet as a supercritical fluid, and the supercritical fluid is defined by having temperature greater than its critical temperature and pressure greater than its critical pressure.
Facendo uso dei sistemi esemplificativi sopra descritti, secondo una realizzazione esemplificativa, un metodo per riscaldare un fluido ORC è illustrato nel diagramma di flusso di Figura 11. Un metodo per riscaldare un fluido in un ciclo organico Rankine (ORC) comprende: il ricevimento del calore emesso da una sorgente nell’operazione 1102 da parte di uno scambiatore di calore, dove tale scambiatore di calore è configurato per essere montato entro un condotto, avendo tale scambiatore un ingresso, un tubo e un’uscita; il ricevimento di detto fluido ORC come liquido pressurizzato nell’operazione 1104 all’ingresso che attraversa il condotto dall’esterno all’interno; l’uscita di detto fluido ORC in una regione quasi-critica nell’operazione 1106 dall’uscita che attraversa il condotto dall’interno all’esterno; e il passaggio del fluido ORC attraverso il tubo tra l’ingresso e l’uscita nell’operazione 1108. Il fluido ORC viene riscaldato al fine di passare dallo stato di liquido in pressione portandolo nella regione quasi-critica del fluido ORC, descritta come la metà superiore di una curva che collega il punto triplo e il punto critico del fluido ORC. La regione subcritica del fluido ORC è descritta da una metà inferiore della curva, e la curva è definita dai valori di pressione e temperatura che definiscono i punti di ebollizione del fluido ORC. Using the exemplary systems described above, according to an exemplary embodiment, a method of heating an ORC fluid is illustrated in the flow chart of Figure 11. A method of heating a fluid in an organic Rankine cycle (ORC) comprises: receiving heat emitted from a source in operation 1102 by a heat exchanger, where such a heat exchanger is configured to be mounted within a conduit, having such an exchanger an inlet, a pipe and an outlet; the receipt of said ORC fluid as a pressurized liquid in operation 1104 at the inlet that crosses the duct from the outside to the inside; the exit of said ORC fluid in a quasi-critical region in operation 1106 from the outlet that crosses the duct from the inside to the outside; and the passage of the ORC fluid through the tube between the inlet and the outlet in operation 1108. The ORC fluid is heated in order to pass from the pressurized liquid state to the quasi-critical region of the ORC fluid, described as the upper half of a curve connecting the triple point and the critical point of the ORC fluid. The subcritical region of the ORC fluid is described by a lower half of the curve, and the curve is defined by the pressure and temperature values that define the boiling points of the ORC fluid.
Le realizzazioni esemplificative sopra descritte sono intese a illustrare a tutti gli effetti, ma non in senso restrittivo, le presente invenzione.Pertanto la presente invenzione ammette molte variazioni nell’implementazione dettagliata, che possono essere desunte da una persona esperta in materia in base alla descrizione qui contenuta. Tutte le siffatte variazioni e modifiche devono essere considerate entro lo scopo e lo spirito della presente invenzione come definiti nelle seguenti rivendicazioni. Nessun elemento, atto o istruzione utilizzato nella descrizione della presente applicazione va inteso come critico o essenziale ai fini dell’invenzione, a meno che sia esplicitamente descritto come tale. Inoltre, come quivi indicato, l’articolo “a” si intende comprensivo di uno o più oggetti. The exemplary embodiments described above are intended to illustrate in all respects, but not in a restrictive sense, the present invention. Therefore, the present invention admits many variations in the detailed implementation, which can be inferred by a person skilled in the art based on the description contained here. All such variations and modifications are to be considered within the scope and spirit of the present invention as defined in the following claims. No element, act or instruction used in the description of this application is to be understood as critical or essential for the purposes of the invention, unless it is explicitly described as such. Furthermore, as indicated herein, the article "a" is understood to include one or more objects.
La presente descrizione scritta utilizza degli esempi dell’oggetto del presente per consentire a qualsiasi esperto in materia di attuare l'invenzione, compresi la realizzazione e l'utilizzo di qualsiasi dispositivo o sistema e l'esecuzione di qualsiasi metodo incorporato. L’ambito brevettabile dell’oggetto del presente è definito dalle rivendicazioni e può includere altri esempi noti agli esperti in materia. Detti altri esempi rientrano nell'ambito delle rivendicazioni. This written description uses examples of the subject matter of the present to allow any expert in the field to implement the invention, including the realization and use of any device or system and the execution of any incorporated method. The patentable scope of the subject matter herein is defined by the claims and may include other examples known to experts in the field. Said other examples fall within the scope of the claims.
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