ITCO20110063A1 - Sistema a ciclo chiuso per recuperare calore disperso - Google Patents
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Description
TITLE / TITOLO
CLOSED CYCLE SYSTEM FOR RECOVERING WASTE HEAT SISTEMA A CICLO CHIUSO PER RECUPERARE CALORE DISPERSO
ARTE NOTA CAMPO TECNICO
Le realizzazioni dell'oggetto divulgato dal presente documento si riferiscono in generale a metodi e sistemi e, più particolarmente, a processi e tecniche atti utilizzo di un sistema a ciclo chiuso per recuperare calore disperso.
RIASSUNTO DELL'ARTE NOTA
Esiste un'ampia varietà di processi industriali e commerciali che generano calore disperso. Il termine "calore disperso" si riferisce al calore residuo, generato dai processi principali, che convenzionalmente non viene sfruttato come fonte di energia. In campo industriale, le comuni fonti di calore disperso comprendono gruppi di calore per componenti spaziali, boiler, motori e sistemi di raffreddamento. I cicli di calore bottoming utilizzano il calore disperso proveniente da una fonte di calore, come per esempio l'impianto di scarico del motore, e convertono quella energia termica in elettricità. La Figura 1 mostra un tipico ciclo Rankine organico (ORC) utilizzato come ciclo bottoming.
La Figura 1 include un radiatore/boiler 12 che riceve calore disperso da una fonte di calore (per esempio l'impianto di scarico di una turbina a gas). Il fluido di calore riscaldato raggiunge la turbina 14 e qui viene convertito in energia meccanica per azionare un generatore 16. Il fluido di lavoro così modificato, con una temperatura e una pressione inferiori, raggiunge successivamente un condensatore 18. Qui passa allo stato liquido e viene aspirato dalla pompa 20 che lo rinvia al radiatore/boiler 12. In questi sistemi, il fluido di lavoro comunemente utilizzato è un fluido organico, come il n-penta Tale ciclo può ricevere calore di scarico a temperature leggermente superiori al punto di ebollizione del fluido di lavoro organico e, di regola, rilascia calore aria o nell'acqua circostante a una temperatura leggermente inferiore al punto di ebollizione del fluido di lavoro organico.
L'infiammabilità o la pericolosità della maggior parte dei fluidi di lavoro organici rappresenta uno degli svantaggi del ciclo ORC. Misure di sicurezza aggiuntive possono essere necessarie per impedire una qualsivoglia perdita o il contatto diretto del fluido organico con la fonte di calore. Solitamente si utilizza un mezzo di trasferimento di calore aggiuntivo, come un circuito a olio diatermico chiuso, fra la fonte di calore e il fluido organico. Questo aumenta il costo e la complessità del sistema, riducendone l'efficienza. Inoltre, l'efficienza di un ciclo organico bottoming dipende in larga parte dalla scelta del fluido organico, che consente solo un particolare intervallo di temperature a seconda delle caratteristiche chimiche. La maggior parte dei sistemi ORC esistenti opera ancora a temperature del fluido di lavoro relativamente basse, a causa dei limiti delle caratteristiche chimiche del fluido. Per applicazioni ad alta temperatura, come il recupero di calore dall'impianto di scarico del motore, le scelte dei fluidi di lavoro sono limitate, a causa di elementi come la stabilità termica e le temperature di autoaccensione del fluido di lavoro.
Sarebbe desiderabile avere un sistema e un metodo semplici capaci di recuperare calore in modo efficiente, superando gli svantaggi menzionati sopra.
RIEPILOGO
Secondo una realizzazione esemplificativa, si ha un sistema a ciclo chiuso per il recupero di calore disperso. Il sistema a ciclo chiuso comprende uno scambiatore di calore configurato per trasferire calore da una fonte di calore esterna al fluido di lavoro, un espansore fluidamente collegato allo scambiatore di calore configurato per espandere il fluido di lavoro e produrre energia meccanica, un recuperatore fluidamente collegato all'espansore e configurato per eliminare calore dal fluido di lavoro, un'unità di condensazione fluidamente collegata al recuperatore e configurata per condensare il fluido di lavoro, e una pompa fluidamente collegata all'unità di condensazione e configurata per pompare il fluido di lavoro condensato al recuperatore. Il percorso del fluido di lavoro attraverso il primo scambiatore, l'espansore, il recuperatore, l'unità di condensazione e la pompa è un percorso chiuso. L'unità di condensazione include un compressore multistadio configurato per comprimere il fluido di lavoro, almeno un meccanismo di raffreddamento disposto a monte del compressore multistadio configurato per raffreddare il fluido di lavoro in modo da raggiungere una temperatura predeterminata, e almeno un meccanismo di raffreddamento disposto a valle del compressore multistadio configurato per condensare il fluido di lavoro. Fra gli stadi adiacenti del compressore multistadio, è presente almeno un meccanismo intercooler configurato per raffreddare il fluido di lavoro fra gli stadi adiacenti fino a una temperatura predeterminata. Secondo un'altra realizzazione esemplificativa, l'unità di condensazione può essere un'unità di refrigerazione.
Secondo un'ulteriore realizzazione esemplificativa, si ha un metodo per recuperare calore disperso che fa parte di un sistema a ciclo chiuso. Il metodo include il trasferimento di calore da una fonte di calore esterna a un fluido di lavoro, l'espansione del fluido di lavoro riscaldato per la produzione di energia meccanica, il raffreddamento del fluido di lavoro espanso, la condensazione e il conseguente passaggio allo stato liquido del fluido di lavoro raffreddato, il pompaggio del fluido di lavoro condensato, e il riscaldamento del fluido di lavoro pompato tramite trasferimento di calore dal fluido di lavoro espanso. La fase di condensazione del fluido di lavoro comprende inoltre il raffreddamento del fluido di lavoro fino a una temperatura predeterminata, la compressione del fluido di lavoro e il raffreddamento del fluido di lavoro per condensarlo.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
I disegni tecnici allegati nella descrizione dettagliata, e di cui costituiscono parte integrante, rappresentano una o più forme di realizzazione e, unitamente alla descrizione, spiegano tali forme di realizzazione. Nei disegni:
la Figura 1 mostra un diagramma schematico di un ciclo Rankine organico a ciclo chiuso generalmente noto;
la Figura 2 mostra un diagramma schematico di un sistema a ciclo chiuso per il recupero di calore disperso secondo una realizzazione esemplificativa;
la Figura 3 mostra un diagramma schematico di un tipico compressore multistadio a ingranaggi integrati;
la Figura 4 illustra l'andamento della pressione rispetto al diagramma della fase entalpica per un fluido di lavoro nel sistema a ciclo chiuso per il recupero di calore disperso secondo una realizzazione esemplificativa;
la Figura 5 mostra un diagramma schematico di un sistema a ciclo chiuso per il recupero di calore disperso a specifiche temperature e pressioni secondo una realizzazione esemplificativa;
la Figura 6 mostra un diagramma schematico di un sistema a ciclo chiuso per il recupero di calore disperso che utilizza un'unità di refrigerazione secondo una realizzazione esemplificativa;
la Figura 7 illustra una configurazione meccanica dei componenti del sistema a ciclo chiuso per il recupero di calore disperso secondo una realizzazione esemplificativa; e
la Figura 8 mostra un diagramma di flusso indicante un metodo per il recupero di calore disperso secondo una realizzazione esemplificativa.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA
La seguente descrizione delle forme di realizzazione esemplificative fa riferimento ai disegni tecnici allegati. Numeri di riferimento uguali, ricorrenti in disegni diversi, rappresentano elementi simili o identici. La seguente descrizione dettagliata non limita l'invenzione. Al contrario, il campo di applicazione dell'invenzione è definito dalle rivendicazioni incluse. Le seguenti realizzazioni sono trattate, per ragioni di semplicità, in relazione alla terminologia e struttura di un sistema dotato di un compressore multistadio a ingranaggi integrati, un espansore radiale (o assiale) multistadio, e una pompa. Tuttavia, le realizzazioni da trattare in seguito non sono limitate a tali sistemi, ma possono essere applicate ad altri sistemi che utilizzano compressori, espansori e pompe multistadio in un ciclo chiuso.
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, il ricorso all'espressione "in una forma di realizzazione" o "in una realizzazione" in diversi punti della descrizione dettagliata non farà necessariamente riferimento alla stessa forma di realizzazione. Inoltre, le particolari caratteristiche, strutture o proprietà possono essere combinate in una o più realizzazioni secondo la modalità appropriata.
Conformemente alla realizzazione analizzata nel presente documento, si ha un sistema a ciclo chiuso per il recupero di calore disperso. Il sistema per il recupero di calore disperso esemplificativo utilizza fonti di calore che consentono un recupero di calore disperso più efficiente per la generazione di elettricità. Le fonti di calore comprendono motori a combustione, turbine a gas, fonti geotermiche, fonti solari termiche, fonti industriali, fonti residenziali, ecc.
In riferimento alla Figura 2, viene illustrato un sistema a ciclo chiuso 10 per il recupero di calore in conformità a una realizzazione esemplificativa dell'invenzione presente. Il sistema 10 include uno scambiatore di calore 25, un espansore 27, un recuperatore 29, un'unità di condensazione 31 e una pompa 39, in un rapporto di flusso seriale in modo da formare un circuito chiuso. Una fonte di calore esterna 23 scambia calore con lo scambiatore di calore 25. Il fluido di lavoro attraversa in serie lo scambiatore di calore 25, l'espansore 27, il recuperatore 29, l'unità di condensazione 31, ancora il recuperatore 29, e torna allo scambiatore di calore 25. Pertanto, il fluido di lavoro segue un percorso chiuso e non interagisce con l'ambiente esterno o con qualsiasi altro fluido. Il primo espansore 27 e la pompa 39 possono essere di tipo multistadio. L'unità di condensazione 31 include un compressore multistadio 35 fluidamente collegato a un primo meccanismo di raffreddamento 33 e a un secondo meccanismo di raffreddamento 37. Il primo meccanismo di raffreddamento 33 si trova a monte del compressore multistadio e il secondo meccanismo di raffreddamento 37 si trova a valle del compressore multistadio. In una realizzazione esempificativa, i meccanismi di raffreddamento 33 e 37 possono essere scambiatori alettati o a fascio tubiera. Questi tipi di scambiatori possono utilizzare aria o acqua come mezzo di raffreddamento.
In un’applicazione, il compressore multistadio è a ingranaggi integrati. I compressori a ingranaggi integrati come i compressori SRL (integrally geared compressor), prodotti dalla Nuovo Pignone S.p.A. di Firenze in Italia, vengono impiegati in diverse applicazioni nel settore del petrolio e del gas, in condizioni di basso flusso e alta pressione o di alto flusso e bassa pressione. Questo tipo di compressore, che viene illustrato in Figura 3, è formato da un ingranaggio principale 66 e da uno a quattro pignoni ad alta velocità 68. Uno o due giranti 70 possono essere montate su ogni albero pistone, come mostrato in Figura 3. Il meccanismo intercooler 72 può essere collocato fra gli stadi di raffreddamento del fluido di lavoro al passaggio da uno stadio del compressore a un altro stadio del compressore. In una realizzazione esempificativa, il meccanismo intercooler 72 può essere uno scambiatore alettato o a fascio tubiera. Questi tipi di scambiatori possono utilizzare aria o acqua come mezzo di raffreddamento.
I compressori a ingranaggi integrati forniscono la possibilità di usufruire di un raffreddamento in posizione intermedia dopo ogni stadio, determinando un minore assorbimento di energia e una maggiore efficienza complessiva. Inoltre, è possibile prevedere delle palette guida dopo ogni stadio, aumentando in tal modo l'intervallo dì operabilità rispetto al tradizionale compressore multistadio ad albero singolo.
Sempre in riferimento alla Figura 2, viene collocato un primo meccanismo di raffreddamento 33 a monte del compressore multistadio 35 e configurato per raffreddare il fluido di lavoro. Il primo meccanismo di raffreddamento 33 in Figura 2 e il meccanismo intercooler 72 in Figura 3 sono configurati per aumentare la densità del fluido di lavoro, determinando in tal modo una maggiore efficienza di compressione. Il secondo meccanismo di raffreddamento 37 viene collocato a valle del compressore multistadio 35 e configurato per raffreddare il fluido di lavoro, in modo da determinare un cambiamento di fase del fluido di lavoro dallo stato gassoso allo stato liquido. In una realizzazione esempificativa, i meccanismi di raffreddamento 33 e 37 possono essere scambiatori alettati o a fascio tubiera. Questi tipi di scambiatori possono utilizzare aria o acqua come mezzo di raffreddamento.
Il fluido di lavoro può essere CO2 o qualsiasi altro fluido non-infìammabile, nontossico e non-corrosivo, caratterizzato da un'elevata densità molecolare e buona resistenza alle alte temperature (come l'azoto o una miscela di CO2 e gas inerti come l'elio). Il sistema a ciclo chiuso per il recupero di calore disperso in una realizzazione esemplificativa della presente invenzione è un ciclo transcritico. Un ciclo transcritico è un ciclo termodinamico nel quale il fluido di lavoro attraversa sia stati subcritici che stati supercritici. Per stato supercritico si intende lo stato del fluido in cui i valori di temperatura e pressione sono entrambi superiori a quelli del punto critico. Il punto critico è rappresentato dai valori di temperatura e pressione massimi entro il quale il fluido mantiene una condizione di equilibrio fra stato gassoso e stato liquido. Nel suo stato supercritico, il fluido presenta proprietà tipiche sia dei liquidi che dei gas. Lo stato del fluido che si trova al di sotto del suo punto critico viene indicato come subcritico.
In una realizzazione esemplificativa, il funzionamento del sistema 10 può essere descritto nel modo seguente: la C02viene ricevuta allo stato supercritico dallo scambiatore di calore 25, al quale giunge calore dalla fonte di calore esterna 23. La C02riscaldata viene fatta circolare nell'espansore 27, dove si raffredda e aziona l'albero dell'espansore 27 per produrre energia meccanica. A questo stadio, la pressione di C02scende al di sotto del punto critico e, pertanto, all'uscita dell'espansore la C02si trova allo stato gassoso (stato subcritico). L'espansore 27 può essere collegato a un'unità di generazione di energia per la produzione di elettricità. L'espansore 27 può essere collegato agli altri dispositivi (per esempio un compressore o una pompa) per fornire l'energia necessaria ad attivarli. Il vapore di C02viene trasferito al recuperatore 29, dove viene raffreddato e fatto circolare all'unità di condensazione 31. Nell'unità di condensazione, il vapore di C02viene raffreddato dal primo meccanismo di raffreddamento 33 e poi fatto circolare al compressore multistadio 35. Il compressore multistadio 35 comprime il vapore di C02, trasmettendolo al secondo meccanismo di raffreddamento 37. Durante la compressione, la C02rientra nello stato supercritico. Un meccanismo intercooler 72 può essere collocato fra gli stadi per il raffreddamento della C02al passaggio da uno stadio all'altro del compressore. Il secondo meccanismo di raffreddamento 37 riduce la temperatura della C02determinandone il passaggio allo stato liquido. La C02liquida viene trasferita alla pompa 39. La C02liquida viene pompata e fatta circolare dalla pompa 39 al recuperatore 29. All'uscita della pompa, la C02rientra nello stato supercritico. La C02viene riscaldata nel recuperatore 29 che utilizza il calore proveniente dalla C02espansa. La C02allo stato supercritico viene fatta circolare nuovamente nello scambiatore di calore 25, in modo da completare il ciclo chiuso.
Secondo una realizzazione esemplificativa, la Figura 4 mostra un diagramma P-H (P indica la pressione e H l'entalpia del fluido di lavoro in un punto determinato) per il fluido di lavoro (C02) del sistema a ciclo chiuso 10. Come analizzato precedentemente, gli esperti in materia comprenderanno che le trasformazioni termodinamiche mostrate in Figura 4 sono esemplificazioni utilizzate per approssimarsi alle trasformazioni reali che avvengono nel sistema reale 10.
Tuttavia, queste trasformazioni esemplificative sono un valido indicatore delle caratteristiche del sistema reale.
Secondo una realizzazione esemplificativa, la Figura 5 mostra alcuni punti del diagramma P-H di Figura 4 rispetto alle rispettive posizioni fisiche nel sistema a ciclo chiuso 50. La fonte di calore disperso 23 (come l'impianto di scarico del motore) può essere presa in considerazione a una temperatura di circa 500 °C. La allo stato supercritico entra nello scambiatore di calore 25 a una pressione di circa 200 bar e una temperatura prossima a135 °C (punto 9 in Figura 4). La CO2viene riscaldata nello scambiatore di calore 25 e raggiunge la temperatura di circa 428 °C. Pertanto, la CO2entra nell'espansore 27 a una temperatura di circa 428 °C e a una pressione di circa 200 bar (punto 1 in Figura 4), laddove si espande facendo ruotare l'albero dell'espansore in modo da produrre energia meccanica. Qui la pressione del vapore di CO2scende a circa 40 bar, mentre la temperatura cala a circa 245 °C (punto 2) entrando nello stato subcritico. Il vapore di C02passa quindi al recuperatore 29, dove la sua temperatura cala a circa 60 °C, mentre la pressione si mantiene costante (punto 3). Il vapore di CO2entra successivamente nell'unità di condensazione 31. Il vapore di CO2viene raffreddato in corrispondenza del primo meccanismo di raffreddamento 33 e la temperatura cala a 30 °C (corrispondente al punto 4). La C02entra in un compressore multistadio 35, dove viene compressa, alla temperatura di 30 °C e alla pressione di 40 bar. Il meccanismo intercooler collocato fra gli stadi del compressore raffredda la C02ulteriormente durante la compressione in modo da aumentare l'efficienza del sistema (punto 5). All'uscita del compressore, il gas di C02viene compresso alla pressione di 80 bar, mentre la temperatura viene aumentata a 52 °C (punto 6), determinando il passaggio allo stato supercritico. La C02viene quindi trasferita al secondo meccanismo di raffreddamento 37, dove viene raffreddata a una temperatura di 30 °C mantenendo la pressione costante. Qui la C02passa allo stato liquido. La C02allo stato liquido viene trasferita alla pompa 39 a una temperatura di circa 30 °C e a una pressione di circa 80 bar (punto 7). La CO2 allo stato liquido viene aspirata dalla pompa 39 in modo da aumentare la pressione a 200 bar circa e la temperatura a 50 °C circa (punto 8). A questo punto, l'anidride carbonica torna nuovamente allo stato supercritico. La C02passa quindi al recuperatone 29, dove viene riscaldata e la sua temperatura aumenta a circa 135 °C, mentre la pressione si mantiene costante (punto 9). La C02allo stato supercritico viene trasferita nuovamente allo scambiatore di calore 23, in modo da completare il ciclo chiuso.
Sempre in riferimento al diagramma P-H di Figura 4, la curva a forma di cupola indica la curva di equilibrio fra vapore e liquido (solitamente nota come "cupola di vapore") della C02. Il punto critico di C02si trova sulla sommità della cupola. La regione inferiore a questa cupola indica i punti di pressione ed entalpia in cui gas e liquido possono coesistere in equilibrio. La regione superiore alla cupola di vapore indica lo stato supercritico della CO2, mentre la regione sul lato destro della cupola inferiore alla zona critica indica lo stato gassoso della CO2. Come emerge dal diagramma, il ciclo termodinamico della presente invenzione si trova parzialmente al di sopra della cupola di vapore (stato supercritico) e parzialmente al di sotto della cupola di vapore (stato subcritico). Si noti che i punti 1, 6, 8 e 9 di Figura 4 indicano lo stato supercrìtico della C02, mentre i punti 2, 3, 4 e 5 corrispondono allo stato gassoso della CO2. Il punto 7 si approssima al punto critico, in corrispondenza del quale la temperatura di C02è appena sotto la temperatura critica. A questo punto, la CO2 raggiunge uno stato di condensazione in cui si comporta sostanzialmente come un liquido, anche nel caso si tratti di un gas. Pertanto, è desiderabile utilizzare una pompa per comprimere la CO2 in questa fase.
Le nuove realizzazioni, come il sistema a ciclo chiuso in oggetto, utilizzano C02come fluido di lavoro, presentano dispositivi di raffreddamento in posizione intermedia fra gli stadi del compressore multistadio e mantengono la C02allo stato supercritico in una parte del ciclo chiuso, consentendo di migliorare l'efficienza dell'intero ciclo. Secondo una realizzazione esemplificativa, tutte queste caratteristiche possono essere combinate.
La Figura 6 mostra un sistema a ciclo chiuso 80 per il recupero di calore in conformità a una realizzazione esemplificativa dell'invenzione presente. Il sistema 80 comprende una fonte di calore esterna 23 che scambia calore con lo scambiatore di calore 25. Il fluido di lavoro attraversa uno scambiatore di calore 25, un espansore 27, un recuperatore 29, un'unità di refrigerazione 45, una pompa 39, ancora il recuperatore 29, e torna allo scambiatore di calore 25 in modo da completare il ciclo chiuso. L'unità di refrigerazione 45 è configurata per condensare il fluido di lavoro, determinandone il passaggio dallo stato gassoso allo stato liquido. L'unità di refrigerazione può essere un sistema di refrigerazione industriale a base di ammoniaca, un'unità indipendente o un refrigeratore alimentato elettricamente. Queste unità di refrigerazione sono immediatamente disponibili sul mercato (per esempio sistemi di refrigerazione industriali disponibili dalla York International). Il funzionamento del sistema 80 è lo stesso del sistema 10 descritto in Figura 2 con la sola differenza che l'unità di condensazione 31 viene sostituita dall'unità di refrigerazione 45. Il corrispondente cambiamento nel ciclo termodinamico viene mostrato dalla linea tratteggiata nel diagramma P-H di Figura 4. Il punto 4a in Figura 4 mostra l'inizio della fase di pompaggio, quando l'unità di refrigerazione 45 viene utilizzata come unità di condensazione. L'utilizzo di un'unità di refrigerazione si rivela necessario in condizioni ambientali ad alte temperature, quando può essere difficoltoso raggiungere la condensazione impiegando un meccanismo di raffreddamento in aggiunta a un compressore multistadio, come descritto nel sistema 10 della realizzazione precedente.
La Figura 7 mostra una configurazione meccanica dei componenti del sistema a ciclo chiuso per il recupero di calore disperso secondo una realizzazione esemplificativa della presente invenzione. Il primo espansore 27, il compressore multistadio 35 e la pompa 39 sono collegati tramite un sistema a ingranaggi integrati. Tutti i componenti del turbomacchinario sono disposti su entrambi i lati di una scatola di ingranaggi centrale, come mostrato. Questo comporta una disposizione compatta che riduce l'ingombro complessivo del sistema a ingranaggi integrati.
Successivamente, in Figura 8, viene descritto un metodo per il recupero di calore disperso che utilizza un sistema a ciclo chiuso. Il metodo include la fase 112 di trasferimento di calore da una fonte di calore esterna a un fluido di lavoro, una fase 114 di espansione del fluido di lavoro riscaldato per la produzione di energia meccanica, una fase 116 di raffreddamento del fluido di lavoro espanso, una fase 118 di condensazione e il conseguente passaggio allo stato liquido del fluido di lavoro raffreddato, una fase 120 di pompaggio del fluido di lavoro condensato, e una fase 122 di riscaldamento del fluido di lavoro pompato tramite trasferimento di calore dal fluido di lavoro espanso. La fase 118 di condensazione del fluido di lavoro comprende il raffreddamento del fluido di lavoro fino a una temperatura predeterminata, la compressione del fluido di lavoro e il raffreddamento del fluido di lavoro per condensarlo.
Le realizzazioni esemplificative divulgate forniscono un sistema a ciclo chiuso e un metodo per il recupero di calore disperso. Resta inteso che la presente descrizione non intende limitare l'invenzione. Al contrario, le realizzazioni esemplificative includono alternative, modifiche e soluzioni equivalenti rientranti nello spirito e nel campo di applicazione dell'invenzione, come definito dalle rivendicazioni allegate. Inoltre, nella descrizione dettagliata delle realizzazioni esemplificative, sono esposti numerosi dettagli specifici al fine di consentire una comprensione esauriente dell'invenzione rivendicata. Tuttavia, chiunque sia esperto in materia comprende che varie realizzazioni possono essere attuate senza tali dettagli.
Nonostante le caratteristiche e gli elementi delle presenti realizzazioni esemplificative siano descritti nelle realizzazioni in particolari combinazioni, ciascuna caratteristica o ciascun elemento possono essere utilizzati singolarmente senza le altre caratteristiche e gli altri elementi delle realizzazioni o in varie combinazioni con o senza altre caratteristiche ed elementi divulgati dal presente documento. La presente descrizione scritta utilizza esempi dell’oggetto divulgato per permettere a qualsiasi esperto in materia di implementare tale oggetto, inclusa la realizzazione e l’utilizzo di qualsiasi dispositivo o sistema e l'esecuzione dei metodi incorporati. L'ambito brevettabile dell'oggetto del presente documento è definito dalle rivendicazioni e può includere altri esempi noti agli esperti in materia. Questi altri esempi rientrano nell'ambito delle rivendicazioni.
Claims (10)
- CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1. Un sistema a ciclo chiuso per il recupero di calore disperso, laddove il sistema comprende: uno scambiatore di calore configurato per trasferire calore da una fonte di calore esterna a un fluido di lavoro; un espansore fluidamente collegato a un'uscita dello scambiatore di calore e configurato per espandere il fluido di lavoro e produrre energia meccanica; un recuperatore fluidamente collegato a un'uscita dell'espansore e configurato per rimuovere calore dal fluido di lavoro;<'> un'unità di condensazione fluidamente collegata a un'uscita del recuperatore e configurata per condensare il fluido di lavoro; e una pompa fluidamente collegata a un'uscita dell'unità di condensazione e configurata per pompare il fluido di lavoro condensato al recuperatore, laddove il recuperatore è fluidamente collegato allo scambiatore di calore in modo che il fluido di lavoro segua il percorso chiuso. 2. Il sistema della rivendicazione 1 , in cui l'unità di condensazione inoltre comprende: un compressore multistadio configurato per comprimere il fluido di lavoro; un meccanismo di raffreddamento fluidamente collegato al compressore multistadio e configurato per raffreddare il fluido di lavoro. 3. Il sistema della rivendicazione 2, in cui il meccanismo di raffreddamento inoltre comprende: uh primo meccanismo di raffreddamento disposto a monte del compressore multistadio e configurato per raffreddare il fluido di lavoro così da raggiungere una temperatura predeterminata; un secondo meccanismo di raffreddamento disposto a valle del compressore multistadio e configurato per raffreddare e condensare il fluido di lavoro. 4. Il sistema della rivendicazione 2, in cui il compressore a ingranaggi integrati comprende almeno un meccanismo intercooler fra stadi adiacenti. 5. Il sistema della rivendicazione 1 , in cui l'unità di condensazione è configurata per determinare il passaggio del fluido di lavoro allo stato supercritico. 6. Il sistema della rivendicazione 5, in cui il passaggio del fluido di lavoro allo stato supercritico avviene nel compressore multistadio. 7. Un metodo per il recupero di calore disperso che fa parte di un sistema a ciclo chiuso, laddove il metodo comprende: il trasferimento di calore da una fonte di calore esterna a un fluido di lavoro; l'espansione del fluido di lavoro riscaldato per la produzione di energia meccanica; il raffreddamento del fluido di lavoro espanso; la condensazione del fluido di lavoro condensato in modo da determinare il passaggio del fluido di lavoro allo stato liquido; il pompaggio del fluido di lavoro condensato; e il riscaldamento del fluido di lavoro pompato tramite il trasferimento di calore dal fluido di lavoro espanso. 8. Il metodo della rivendicazione 7, in cui la fase di condensazione del fluido di lavoro inoltre comprende: il raffreddamento del fluido di lavoro a una temperatura predeterminata; la compressione del fluido di lavoro; il raffreddamento del fluido di lavoro per poi ricondensarlo. 9. Un sistema a ciclo chiuso per il recupero di calore disperso, laddove il sistema comprende: uno scambiatore di calore configurato per trasferire calore da una fonte di calore esterna a un fluido di lavoro; un espansore fluidamente collegato a un'uscita dello scambiatore di calore e configurato per espandere il fluido di lavoro e produrre energia meccanica; un recuperatore fluidamente collegato a un'uscita dell'espansore e configurato per rimuovere calore dal fluido di lavoro; un'unità di refrigerazione fluidamente collegata a un'uscita del recuperatore e configurata per condensare il fluido di lavoro; e una pompa fluidamente collegata a un'uscita dell'unità di refrigerazione e configurata per pompare il fluido di lavoro condensato al recuperatore, laddove il recuperatore è fluidamente collegato allo scambiatore di calore in modo che il fluido di lavoro segua il percorso chiuso. 10. Un sistema a ciclo chiuso transcritico per il recupero di calore disperso e configurato per seguire una curva di fase illustrata in grafico come funzione della pressione e dello spazio entalpico, laddove il sistema comprende: uno scambiatore di calore configurato per trasferire calore da una fonte di calore esterna a un fluido di lavoro; un espansore fluidamente collegato a un'uscita dello scambiatore di calore e configurato per espandere il fluido di lavoro e produrre energia meccanica; un recuperatore fluidamente collegato a un'uscita dell'espansore e configurato per rimuovere calore dal fluido di lavoro; un'unità di condensazione fluidamente collegata a un'uscita del recuperatore e configurata per condensare il fluido di lavoro; e una pompa fluidamente collegata a un'uscita dell'unità di condensazione e configurata per pompare il fluido di lavoro condensato al recuperatore, laddove il recuperatore è fluidamente collegato allo scambiatore di calore in modo che il fluido di lavoro segua il percorso chiuso, e laddove la curva di fase include una prima parte della curva che si trova sopra il punto critico del fluido di lavoro, una seconda parte che si trova sotto il punto critico del fluido di lavoro e sul lato destro di una cupola di vapore del fluido di lavoro, e almeno un punto vicino al punto critico del fluido di lavoro. CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1 . A closed cycle system for waste heat recovery, the system comprising: a heat exchanger configured to transfer heat from an external heat source to a working fluid; an expander fluidly connected to an outlet of the heat exchanger and configured to expand the working fluid and produce mechanical energy; a recuperator fluidly connected to an outlet of the expander and configured to remove heat from the working fluid; a condensing unit fluidly connected to an outlet of the recuperator and configured to condense the working fluid; and a pump fluidly connected to an outlet of the condensing unit and configured to pump the condensed working fluid back to the recuperator, wherein the recuperator is fluidly connected to the heat exchanger such that the working fluid follows a closed path.
- 2. The system of claim 1 , wherein the condensing unit further comprises: a multistage compressor configured to compress the working fluid; a cooler mechanism fluidly connected to the multistage compressor and configured to cool the working fluid.
- 3. The system of claim 2, wherein the cooler mechanism further comprises: a first cooler mechanism disposed upstream of the multistage compressor and configured to cool the working fluid to achieve a predetermined temperature; a second cooler mechanism disposed downstream of the multistage compressor and configured to cool and condense the working fluid.
- 4. The system of claim 2, wherein the integrally geared compressor comprises at least one inter-cooler mechanism between adjacent stages.
- 5. The system of claim 1 , wherein the condensing unit is configured to change a state of the working fluid to a supercritical state.
- 6. The system of claim 5, wherein the change of state of the working fluid to the supercritical state occurs in the multistage compressor.
- 7. A method of waste heat recovery that is part of a closed cycle system, the method comprising: transferring heat from an external heat source to a working fluid; expanding the heated working fluid for producing mechanical energy; cooling the expanded working fluid; condensing the cooled working fluid to change a phase of the working fluid to a liquid phase; pumping the condensed working fluid; and heating the pumped working fluid by transferring heat from the expanded working fluid.
- 8. The method of claim 7, wherein the step of condensing the working fluid further comprises: cooling the working fluid to a pre-determined temperature; compressing the working fluid; cooling the working fluid further to condense it.
- 9. A closed cycle system for waste heat recovery, the system comprising: a heat exchanger configured to transfer heat from an external heat source to a working fluid; an expander fluidly connected to an outlet of the heat exchanger and configured to expand the working fluid and produce mechanical energy; a recuperator fluidly connected to an outlet of the expander and configured to remove heat from the working fluid; a refrigeration unit fluidly connected to an outlet of the recuperator and configured to condense the working fluid; and a pump fluidly connected to an outlet of the refrigeration unit and configured to pump the condensed working fluid back to the recuperator, wherein the recuperator is fluidly connected to the heat exchanger such that the working fluid follows a closed path.
- 10. A transcritical closed cycle system for waste heat recovery and configured to follow a phase curve plotted in a pressure versus enthalpy space, the system comprising: a heat exchanger configured to transfer heat from an external heat source to a working fluid; an expander fluidly connected to an outlet of the heat exchanger and configured to expand the working fluid and produce mechanical energy; a recuperator fluidly connected to an outlet of the expander and configured to remove heat from the working fluid; a condensing unit fluidly connected to an outlet of the recuperator and configured to condense the working fluid; and a pump fluidly connected to an outlet of the condensing unit and configured to pump the condensed working fluid back to the recuperator, wherein the recuperator is fluidly connected to the heat exchanger such that the working fluid follows a closed path, and wherein the phase curve includes a first part of the curve lies above the critical point of the working fluid, a second part of the curve lies below the critical point of the working fluid and at the right side of a vapor dome of the working fluid, and at least one point near the critical point of the working fluid.
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