ITMI20110244A1 - Impianto e processo per la produzione di energia tramite ciclo rankine organico - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“IMPIANTO E PROCESSO PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA

TRAMITE CICLO RANKINE ORGANICOâ€

La presente invenzione ha per oggetto un impianto e un processo per la produzione di energia tramite ciclo Rankine organico.

Sono noti impianti basati su un ciclo termodinamico Rankine per la conversione, in modo semplice ed affidabile, di energia termica in energia meccanica e/o elettrica. In tali impianti (ORC) vengono preferibilmente utilizzati fluidi di lavoro di tipo organico (a alto o medio peso molecolare) al posto del tradizionale sistema acqua/vapore, in quanto un fluido organico à ̈ in grado di convertire in modo più efficiente fonti di calore a temperature relativamente basse, generalmente tra 100°C e 300°C, ma anche a temperature superiori. I sistemi di conversione ORC stanno pertanto trovando sempre più ampie applicazioni in settori diversi, ad esempio in campo geotermico, nel recupero energetico industriale, in impianti di produzione di energia da biomasse, da energia solare concentrata (csp), nei rigassificatori, ecc..

Un impianto di tipo noto per la conversione di energia termica tramite un ciclo Rankine organico (ORC) in generale comprende: almeno uno scambiatore termico che scambia calore tra una sorgente ad alta temperatura ed un fluido di lavoro, così da riscaldare, evaporare e surriscaldare) il fluido di lavoro; almeno una turbina alimentata dal fluido di lavoro in fase vapore in uscita dallo scambiatore termico, così da realizzare una conversione dell’energia termica presente nel fluido di lavoro in energia meccanica secondo un ciclo Rankine; almeno un generatore operativamente connesso alla turbina, in cui l’energia meccanica prodotta dalla turbina viene convertita in energia elettrica; almeno un condensatore dove il fluido di lavoro in uscita dalla turbina viene condensato ed inviato ad almeno una pompa. Dalla pompa il fluido viene inviato allo scambiatore termico.

Sono noti cicli ORC e relativi impianti nei quali l’evaporazione à ̈ subcritica. Nelle figure 2a e 2b à ̈ riportato un tipico ciclo Rankine, realizzato con un fluido organico, con evaporazione subcritica. Il fluido organico viene pompato dalla pompa dalla pressione del punto 1 (aspirazione della pompa) fino alla pressione del punto 2 (mandata della pompa). Dal punto 2 il fluido viene riscaldato fino al punto 3. Nel caso più generico il riscaldamento prevede lo scambio di calore sensibile con il fluido di lavoro in fase liquida (da 2 a 2’), lo scambio di calore latente tra liquido saturo e vapore saturo (2’ a 2†), lo scambio di calore sensibile con il vapore (2†a 3). Raggiunto il punto 3 il fluido viene immesso in turbina. Le condizioni di uscita dalla turbina sono rappresentate dal punto 4. Dal punto 4 il fluido viene raffreddato al punto 5 e condensato fino al punto 1. Negli impianti noti con evaporazione subcritica, il riscaldamento del fluido organico passa attraverso tre differenti sezioni: il preriscaldamento, l’evaporazione e il surriscaldamento (in alcuni casi il surriscaldamento può essere assente). In tali impianti noti si utilizzano normalmente degli scambiatori di calore differenti per lo scambio termico di calore sensibile e calore latente. Lo scambiatore termico degli impianti noti comprende pertanto un preriscaldatore, un evaporatore e, eventualmente, un surriscaldatore. La ragione à ̈ che di solito l’evaporatore richiede un grosso volume perché in generale il vapore di un fluido ha un volume specifico molto maggiore del liquido. Inoltre, far acquistare calore sensibile al vapore richiede grandi superfici di scambio in quanto i coefficienti di scambio termico del vapore sono molto bassi.

In tale ambito, la Richiedente si à ̈ posta l’obiettivo di migliorare gli impianti noti sotto diversi aspetti, in particolare in relazione all’ottimizzazione delle apparecchiature destinate allo scambio termico, in base alla natura del fluido organico utilizzato.

Più in particolare, la Richiedente si à ̈ posta l’obiettivo di ottimizzare le apparecchiature che compiono la trasformazione di stato, da liquido a vapore, del liquido organico utilizzato.

La Richiedente ha trovato che l’adozione di uno scambiatore termico di tipo “hairpin†rende più flessibile l’impianto poiché con tale scambiatore si effettua una evaporazione once-through che non richiede sub-cooling del fluido in ingresso all’evaporatore, che sarebbe necessario nella configurazione pre-riscaldatore e bollitore. Inoltre, tale scambiatore rende più flessibili le operazioni di avviamento e spegnimento dell’impianto, in quanto può rimanere in esercizio in condizioni di “dry-running†, ossia con il lato primario avviato e con il lato secondario dry.

Più in particolare, l’invenzione si riferisce ad un impianto per la produzione di energia tramite ciclo Rankine organico, comprendente: un fluido organico di lavoro; almeno uno scambiatore termico per scambiare calore tra una sorgente ad alta temperatura ed il fluido di lavoro, così da riscaldare, evaporare e surriscaldare detto fluido di lavoro; almeno una turbina alimentata con il fluido di lavoro in fase vapore in uscita dallo scambiatore termico, per realizzare una conversione dell’energia termica presente nel fluido di lavoro in energia meccanica secondo un ciclo Rankine; almeno un condensatore dove il fluido di lavoro in uscita da detta almeno una turbina viene condensato ed inviato ad almeno una pompa; il fluido viene quindi alimentato ad almeno uno scambiatore termico; caratterizzato dal fatto che lo scambiatore termico à ̈ di tipo hairpin.

Secondo un altro aspetto, la presente invenzione riguarda un processo per la produzione di energia tramite ciclo Rankine organico, comprendente: i) alimentare un fluido organico di lavoro attraverso almeno uno scambiatore termico per scambiare calore tra una sorgente ad alta temperatura e detto fluido di lavoro, così da riscaldare, evaporare e surriscaldare detto fluido di lavoro; ii) alimentare il fluido organico di lavoro in fase vapore in uscita dallo scambiatore termico ad almeno una turbina, per realizzare una conversione dell’energia termica presente nel fluido di lavoro in energia meccanica secondo un ciclo Rankine; iii) alimentare il fluido organico di lavoro in uscita da detta almeno una turbina ad almeno un condensatore dove il fluido di lavoro viene condensato; iv) inviare il fluido organico di lavoro in uscita dal condensatore a detto almeno uno scambiatore termico; caratterizzato dal fatto che la fase i) comprende: far fluire il fluido organico di lavoro in uno scambiatore termico di tipo hairpin.

Con il termine “hairpin†s’intende uno scambiatore di calore comprendente uno o più tubi interni inseriti in un involucro esterno in cui i tubi interni e l’involucro esterno si sviluppano lungo tratti rettilinei raccordati tra loro da tratti curvilinei, come una strada con tornanti. Un primo fluido scorre nei tubi interni ed un secondo fluido scorre tra i tubi interni e l’involucro esterno.

Utilizzandolo all’interno del ciclo ORC, lo scambiatore termico “hairpin†à ̈ in grado di effettuare la trasformazione di stato da liquido a vapore surriscaldato con un unico apparecchio, consentendo di contenere le dimensioni dell’intero impianto e gli spazi industriali ad esso dedicati.

Lo scambiatore termico “hairpin†, essendo inoltre di facile realizzazione, di costo contenuto e elevata affidabilità, contribuisce a rendere l’intero impianto più economico e affidabile.

Lo scambiatore termico “hairpin†à ̈ in grado di eseguire stabilmente le fasi di preriscaldo, evaporazione “once through†e surriscaldamento sia al carico nominale che ai carichi parziali e transitori sia per cicli ORC subcritici che supercritici. Con evaporazione “once through†si intende un processo in cui non à ̈ prevista distinzione fisica tra preriscaldatore, evaporatore e surriscaldatore ma il fluido prosegue senza soluzione di continuità dallo stato iniziale, liquido, a quello finale, vapore surriscaldato. Ne consegue che l’impianto può essere utilizzato con fluidi organici differenti e ottimizzato in funzione della natura degli stessi.

Lo scambiatore termico “hairpin†, che realizza tutte le fasi di scambio sopra citate in un unico tubo senza soluzioni di continuità, à ̈ conseguentemente anche auto drenante in fase di spegnimento.

Inoltre, lo scambiatore di tipo “hairpin†à ̈ in grado di entrare in esercizio in condizioni di “dry-running†. Con condizioni di “dry-running†si intende le condizioni per cui il solo lato caldo dello scambiatore viene alimentato con il fluido. Utilizzando lo scambiatore “hairpin†per realizzare un’evaporazione once-through, à ̈ possibile alimentare il solo olio diatermico sul lato mantello e successivamente alimentare il fluido organico sul lato freddo.

La configurazione di tipo “hairpin†ha inoltre il vantaggio di consentire lo scambio di calore con delle grosse differenze di temperatura tra ingresso e uscita dei fluidi, ossia con elevate lunghezze termiche, con modesti stress meccanici. Infatti, utilizzando tale geometria, à ̈ possibile disaccoppiare le dilatazioni sull’involucro esterno dalle dilatazioni dei tubi.

Lo scambiatore termico “hairpin†à ̈ in grado di sopportare elevate differenze di temperatura, anche oltre i 100-200°C, fra la temperatura del fluido di riscaldamento in ingresso (Figure 2b e 3b, punto A) e in uscita (Figure 2b e 3b, punto B).

Preferibilmente, lo scambiatore termico hairpin à ̈ del tipo in controcorrente, con o senza buffers.

Preferibilmente, lo scambiatore termico hairpin comprende un fascio di tubi interni circondati da una camicia.

Secondo una forma realizzativa preferita, lo scambiatore termico hairpin comprende un singolo tubo interno circondato da una camicia.

In accordo una forma realizzativa preferita del processo, nella fase i) il riscaldamento del fluido organico di lavoro à ̈ del tipo supercritico.

In accordo una forma realizzativa preferita del processo, nella fase i) il riscaldamento del fluido organico di lavoro à ̈ del tipo subcritico.

Il vantaggio di realizzare il ciclo scegliendo tra evaporazione subcritica o supercritica à ̈ quello di ottimizzare le performance della conversione dell’energia termica in energia elettrica. Le condizioni operative che ottimizzano le performance del ciclo termico, come ad esempio la pressione di evaporazione, dipendono dalla natura del fluido. Cambiando il tipo di fluido organico utilizzato cambiano anche i parametri di processo che ottimizzano il rendimento del ciclo, e quindi la natura dell’evaporazione che può essere subcritica o supercritica.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi appariranno maggiormente dalla descrizione dettagliata di una forma d’esecuzione preferita, ma non esclusiva, di un impianto e di un processo per la produzione di energia tramite ciclo Rankine organico in accordo con la presente invenzione.

La descrizione dettagliata di tali configurazioni verrà esposta qui di seguito con riferimento agli uniti disegni, forniti a solo scopo indicativo e, pertanto, non limitativo, nei quali:

- la figura 1 mostra schematicamente la configurazione di base di un impianto per la produzione di energia tramite ciclo Rankine organico secondo la presente invenzione;

- le figure 2a e 2b illustrano rispettivamente un ciclo Rankine ORC con evaporazione subcritica ed il diagramma T-Q che riporta le trasformazioni che avvengono nell’evaporatore;

- le figure 3a e 3b illustrano rispettivamente un ciclo Rankine ORC con evaporazione supercritica secondo la presente invenzione ed il diagramma T-Q che riporta le trasformazioni che avvengono nell’evaporatore.

Con riferimento alle figure citate, con 10 Ã ̈ stato complessivamente indicato un impianto per la produzione di energia tramite ciclo Rankine organico (ORC) secondo la presente invenzione.

L’impianto 10 comprende un circuito chiuso nel quale circola un fluido di lavoro organico a alto o medio peso molecolare. Tale fluido può, preferibilmente essere scelto dal gruppo comprendente idrocarburi, fluorocarburi e silossani.

La figura 1 mostra il circuito del ciclo Rankine nella sua configurazione di base, e prevede: una pompa 20, uno scambiatore di calore o scambiatore termico 30, una turbina 40 collegata a un generatore elettrico 50, un condensatore 60.

La pompa 20 immette il fluido di lavoro organico proveniente dal condensatore 60 nello scambiatore termico 30. Nello scambiatore termico 30 il fluido viene riscaldato, fatto evaporare e poi alimentato in fase di vapore alla turbina 40, in corrispondenza della quale viene realizzata una conversione dell’energia termica presente nel fluido di lavoro in energia meccanica e poi in energia elettrica tramite il generatore 50. A valle della turbina 40, nel condensatore 60, il fluido di lavoro viene condensato ed inviato di nuovo allo scambiatore termico attraverso la pompa 20.

La pompa 20, la turbina 40, il generatore 50 e il condensatore 60 non verranno qui ulteriormente descritti in quanto di tipo di per sé noto.

Vantaggiosamente, lo scambiatore di calore 30 à ̈ del tipo “hairpin†, ovvero comprende un singolo tubo o più tubi (fascio tubiero) interni 70 nei quali viene fatto circolare il fluido di lavoro organico. I tubi 70 sono inseriti in un involucro/mantello/camicia esterno 80 e tra i tubi 70 e l’involucro 80 viene fatto fluire un fluido caldo, ad esempio olio diatermico. I tubi interni 70 e l’involucro esterno 80 si sviluppano lungo tratti rettilinei 70b, 80b raccordati tra loro da tratti curvilinei 70a, 80a.

Nell’esempio schematico e non limitativo illustrato, lo scambiatore di calore “hairpin†30 comprende un tubo interno 70 sagomato a “U†con due tratti rettilinei 70b collegati da un tratto curvilineo di raccordo 70a. Il tubo interno 70 si sviluppa all’interno dell’involucro esterno 80, il quale assume la medesima forma ad “U†, con due tratti rettilinei 80b collegati da un tratto curvilineo di raccordo 80a. Una prima estremità 90 (ingresso) del tubo interno 70 à ̈ in collegamento di fluido, tramite una opportuna tubazione, con la pompa 20. Una seconda estremità 100 (uscita) del tubo interno 70 à ̈ in collegamento di fluido, tramite una opportuna tubazione, con la turbina 40. In prossimità della seconda estremità 100 del tubo interno 70, l’involucro esterno 80 presenta un ingresso 110 per il fluido caldo e, in prossimità della prima estremità 90 del tubo interno 70, l’involucro esterno 80 presenta un’uscita 120 per detto fluido caldo. Il fluido di lavoro organico fluisce dalla prima estremità 90 verso la seconda estremità 100 mentre il fluido caldo scorre dall’ingresso 110 verso l’uscita 120, per cui lo scambiatore di calore 30 illustrato lavora in controcorrente. Secondo varianti non illustrate, lo scambiatore termico 30 può presentare un fascio di tubi interni 70 e/o lavorare in equi-corrente e/o presentare “n†tratti rettilinei collegati da “n-1†tratti curvilinei.

In accordo con il processo secondo l’invenzione, il fluido di lavoro che transita nello scambiatore termico “hairpin†30 passa senza soluzione di continuità dallo stato iniziale liquido a quello finale di vapore surriscaldato. L’evaporazione avviene in assenza di pelo libero fra liquido e vapore e quindi in condizioni cosiddette “once through†.

Nell’impianto 10 secondo l’invenzione à ̈ possibile eseguire processi ORC con riscaldamento/evaporazione subcritica o con riscaldamento/evaporazione supercritica.

Le figure 2a e 2b descrivono lo scambio termico durante il riscaldamento del fluido organico nel caso più generico di riscaldamento subcritico. Durante lo scambio termico il fluido caldo (per esempio olio diatermico) che entra al punto A si raffredda, cedendo il calore Q fino a portarsi alle condizioni del punto B. Il fluido organico in uscita dalla pompa 20 alle condizioni descritte dal punto 2 assorbe il calore Q, scaldandosi. Il profilo termico seguito dal fluido lungo il riscaldamento viene riportato dalla curva 2-2’-2†-3, della figura 2a.

Nelle figure 3a e 3b à ̈ riportato un ciclo Rankine ORC con evaporazione supercritica. A differenza dell’evaporazione descritta nella figura 2a, il fluido viene pompato dalla pompa fino a una pressione superiore a quella critica. Riscaldando da questo punto fino al punto 3 non à ̈ possibile identificare i punti 2’ e 2†, che caratterizzano la transizione di fase. In particolare, il volume specifico del fluido cambia con continuità, senza la discontinuità da liquido a vapore. Ciò à ̈ vero alla pressione nominale, ma à ̈ da notare che durante i transitori di avviamento e fermata à ̈ inevitabile l’attraversamento della regione subcritica. Nei cicli ORC super-critici il riscaldamento avviene senza cambiamento di fase, tuttavia nei transitori di avviamento e spegnimento, e durante i conseguenti transitori di pressurizzazione/depressurizzazione si attraversa la curva di saturazione e pertanto particolare cura ed attenzione à ̈ riposta in sistemi atti ad evitare la formazione di sacche di liquido in area ove vi sia presenza di vapore surriscaldato.

La trasformazione di stato da liquido a vapore nell’unico scambiatore “hairpin†à ̈ in grado di scambiare sia il calore sensibile necessario per portare il fluido in condizioni di liquido saturo (pre-riscaldamento, PH, fig.2a tratto 2-2’), sia il calore latente per portare il liquido saturo nelle condizioni di vapore saturo (evaporazione, EV, fig.2a tratto 2’-2†) che il calore sensibile necessario al surriscaldamento del vapore (surriscaldamento, SH, fig.2a tratto 2†-3). L’energia termica scambiata nell’impianto con scambiatore “hairpin†secondo l’invenzione permette al fluido di compiere trasformazioni che coinvolgano calore sensibile e latente (condizioni subcritiche, si veda la figura 2a) oppure che implichino scambio di calore in condizioni supercritiche (si veda la figura 3a).

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Impianto per la produzione di energia tramite ciclo Rankine organico, comprendente: un fluido organico di lavoro; almeno uno scambiatore termico (30) per scambiare calore tra una sorgente ad alta temperatura ed il fluido di lavoro, così da riscaldare ed evaporare detto fluido di lavoro; almeno una turbina (40) alimentata con il fluido di lavoro in fase vapore in uscita dallo scambiatore termico (30), per realizzare una conversione dell’energia termica presente nel fluido di lavoro in energia meccanica secondo un ciclo Rankine; almeno un condensatore (60) dove il fluido di lavoro in uscita da detta almeno una turbina (40) viene condensato ed inviato ad almeno una pompa; il fluido viene quindi alimentato a detto almeno uno scambiatore termico (30); caratterizzato dal fatto che lo scambiatore termico (30) à ̈ di tipo hairpin.
2. 2. Impianto secondo la rivendicazione 1, in cui lo scambiatore termico hairpin (30) Ã ̈ del tipo in controcorrente, con o senza buffers.
3. 3. Impianto secondo la rivendicazione 1, in cui lo scambiatore termico hairpin (30) comprende un singolo tubo interno (70) circondato da una camicia (80).
4. 4. Impianto secondo la rivendicazione 1, in cui lo scambiatore termico hairpin (30) comprende un fascio di tubi interni circondati da una camicia.
5. 5. Impianto secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre almeno un generatore (50) operativamente connesso a detta almeno una turbina (40) in cui l’energia meccanica prodotta dalla turbina (40) viene convertita in energia elettrica.
6. 6. Processo per la produzione di energia tramite ciclo Rankine organico, comprendente: i) alimentare un fluido organico di lavoro attraverso almeno uno scambiatore termico (30) per scambiare calore tra una sorgente ad alta temperatura e detto fluido di lavoro, così da riscaldare ed evaporare detto fluido di lavoro; ii) alimentare il fluido organico di lavoro in fase vapore in uscita dallo scambiatore termico (30) ad almeno una turbina (40), per realizzare una conversione dell’energia termica presente nel fluido di lavoro in energia meccanica secondo un ciclo Rankine; iii) alimentare il fluido organico di lavoro in uscita da detta almeno una turbina (40) ad almeno un condensatore (60) dove il fluido di lavoro viene condensato; iv) inviare il fluido organico di lavoro in uscita dal condensatore (60) a detto almeno uno scambiatore termico (30); caratterizzato dal fatto che la fase i) comprende: far fluire il fluido organico di lavoro in uno scambiatore termico (30) di tipo hairpin.
7. 7. Processo secondo la rivendicazione 6, in cui nella fase i) il riscaldamento del fluido organico di lavoro à ̈ del tipo supercritico.
8. 8. Processo secondo la rivendicazione 6, in cui nella fase i) il riscaldamento del fluido organico di lavoro à ̈ del tipo subcritico.
9. 9. Processo secondo la rivendicazione 6, in cui il fluido organico di lavoro à ̈ scelto dal gruppo comprendente: idrocarburi, fluorocarburi e silossani.
10. 10. Processo secondo la rivendicazione 6, in cui lo scambiatore termico (30) di tipo hairpin entra in esercizio in condizioni di dry-running.