PT100139B

PT100139B - Central de producao de energia a partir de energia geotermica

Info

Publication number: PT100139B
Application number: PT100139A
Authority: PT
Inventors: Lucien Y Bronicki
Original assignee: Ormat Turbines 1965 Ltd
Priority date: 1991-02-20
Filing date: 1992-02-19
Publication date: 1999-02-26
Also published as: IL101002A0; US5839282A; IL101002A; US5660042A; PT100139A

Description

ASSUNTOS RELACIONADOS COM O INVENTO

O presente pedido de patente é um pedido de continuação dos seguintes pedidos copendentes que são aqui incorporados a título de referência:

Pedido de patente No. de Série 444.565 apresentado em 1 de Dezembro de 1989;

Pedido de patente No. de Série 622.341 apresentado em 29 de Novembro de 1990; e

Pedido de patente No. de Série (P9853) apresentado em 19 de Fevereiro de 1991.

ÂMBITO TÉCNICO presente invento diz respeito a um método e sistemas próprios para para a utilização dum fluido bifásico no processo de produção de energia numa central de produção de energia trabalhando segundo um ciclo de Rankine, e mais particularmente, para a utilização dum fluido bifásico tal como, por exemplo, um fluido geotérmico extraído duma fonte de energia geotérmica constituída predominantemente por água.

TÉCNICA ANTERIOR

Alguns fluidos bifãsicos, tais como os fluidos obtidos a partir de fontes de energia geotérmica constituídas predominantemente por água, como por exemplo aquelas que surgem naturalmente em muitas zonas do mundo, contêm uma considerável quantidade de calor que pode ser utilizada nos processos de produção de energia que utilizem uma instalação de produção de energia

trabalhando segundo um ciclo de Rankine. Devido à natureza corrosiva desses fluidos geotérmicos e às dificuldades técnicas no projecto de máquinas térmicas capazes de trabalhar eficazmente com um fluido de trabalho de constituição bifásica, foi adoptada a solução convencional que consiste em separar a água do vapor de água na zona da boca do poço e em utilizar os dois fluidos em centrais de produção de energia distintas. 0 vapor de ãgua pode ser utilizado quer directamente numa turbina a vapor convencional quer indirectamente, como fonte de calor, numa instalação de produção de energia trabalhando segundo um ciclo de Rankine e utilizando um fluido de trabalho orgânico, como por exemplo aquela que se acha apresentada na patente U.S. No. 4.542.625 que é aqui incorporada a título de referência. As instalações de produção de energia desse tipo, que trabalham segundo um ciclo de Rankine e que utilizam um fluido de trabalho orgânico, compreendem um vaporizador contendo um fluido orgânico, como por exemplo o Freon, um hidrocarboneto, etc., que é vaporizado através da aplicação do vapor de água geotérmico ao vaporizador. 0 resultante vapor de água (condensados) ao qual foi retirada energia calorífica obtido à saída do vaporizador vai ser então lançado fora, possivelmente por injecção no interior daquilo que é designado por poço de rejeição. 0 fluido de trabalho vaporizado que é produzido pelo vaporizador é aplicado numa turbina de concepção especial que vai converter uma parte do calor contido no seio do fluido de trabalho transformando-o em trabalho útil e que vai produzir fluido de trabalho ao qual foi retirada energia calorífica e que é enviado para um condensador arrefecido a água ou a ar onde o fluido de trabalho ao qual foi retirada energia calorífica vai ser condensado e transformado num líquido que irá ser obrigado a regressar ao vaporizador.

A fim de se fazer aumentar a utilização do calor contido no seio do fluido geotérmico, também é convencional

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utilizar-se o líquido separado do vapor de água para se produzir energia. Com este objectivo, é convencional aplicar-se a água geotérmica quente noutra central de produção de energia trabalhando segundo um ciclo de Rankine e utilizando um fluido de trabalho orgânico, conforme se acha descrito na patente U.S. No. 4.578.953 que é aqui incorporada a título de referência. Na patente '953 é proposta a utilização duma série de vaporizadores agrupados em forma de cascata, cada um dos quais se acha associado à sua própria turbina, que se acham dispostos de maneira a que a água geotérmica quente vá passar sempre dum vaporizador para outro vaporizador que se ache ligado em série com o primeiro. Consegue-se obter um aumento de rendimento térmico através da utilização dum pré-aquecedor para cada vaporizador e da aplicação da água geotérmica à qual foi retirada energia calorífica proveniente do último escalão da cascata a todos os pré-aquecedores montados em paralelo, indo deste modo promover o pré-aquecimento do fluido de trabalho em cada escalão antes do fluido de trabalho entrar no vaporizador do respectivo escalão.

Nalgumas situações não é prático dispor de centrais de produção de energia separadas, uma utilizando vapor de água geotérmico e a outra utilizando água geotérmica. Além disso, o rendimento termodinâmico duma central de produção de energia trabalhando a água geotérmica pode ser muito baixo para conseguir garantir os encargos financeiros do equipamento.

Por conseguinte um dos objectivos do presente invento consiste em proporcionar um método e sistemas aperfeiçoados capazes de fazer aumentar o rendimento termodinâmico das centrais de produção de energia trabalhando com um fluido bifásico como por exemplo um fluido obtido a partir duma fonte de energia geotérmica constituída predominantemente por água.

Outro objectivo do presente invento consiste em proporcionar um novo método e novos sistemas aperfeiçoados capazes de fazer aumentar o rendimento e/ou o rendimento termodinâmico das centrais de produção de energia trabalhando com um fluido bifásico como por exemplo um fluido obtido a partir duma fonte de energia geotérmica.

APRESENTAÇÃO DO INVENTO

O presente invento proporciona um método próprio para a utilização dum fluido bifásico compreendendo as seguintes operações: separar o fluido nas suas duas fases, uma das quais é um gás quente contendo energia sob a forma de calor latente, e a outra um líquido quente contendo energia sob a forma de calor sensível; converter o calor sensível que se acha contido no seio do líquido em calor sensível contido no seio dum fluido de trabalho, a fim de se dar origem à produção dum fluido de trabalho pré-aquecido; e transferir o calor latente que se acha contido no seio do gás para o seio do fluido de trabalho pré-aquecido, a fim de se promover a vaporização do mesmo a uma temperatura e a uma pressão substancialmente constantes.

fluido bifásico pode ser um fluido geotérmico constituído predominantemente por água, uma das fases do qual é constituída por água quente e a outra por vapor de água. O fluido de trabalho pode ser de preferência constituído por um fluido orgânico. Nesse caso, o invento proporciona os meios necessários para promover a expansão do fluido de trabalho vaporizado numa máquina térmica, a fim de se obter trabalho e fluido de trabalho ao qual foi retirada energia calorífica, e a condensação do fluido de trabalho ao qual foi retirada energia calorífica, a fim de se produzir fluido de trabalho condensado. Sob um ponto de vista geral, o invento utiliza um fluido bifásico numa central de

produção de energia trabalhando segundo um ciclo de Rankine do tipo daquelas que se acha equipadas com um vaporizador próprio para promover a vaporização dum fluido de trabalho, uma máquina térmica que reage ao fluido de trabalho vaporizado de maneira a dar origem à produção de trabalho e de fluido de trabalho ao qual foi retirada energia calorífica, e um condensador próprio para promover a condensação do fluido de trabalho ao qual foi retirada energia calorífica e para dar origem à produção de condensados que vão ser obrigados a regressar novamente ao vaporizador. 0 método de acordo com o presente invento inclui as seguintes operações: separar o fluido nas suas duas fases, uma das quais é um gás quente, e a outra um líquido quente; fazer passar o referido gás através do vaporizador onde o calor proveniente do gás vai vaporizar fluido de trabalho no interior do vaporizador; e fazer passar o referido líquido através dum pré-aquecedor que se acha interposto entre o condensador e o vaporizador, indo o calor proveniente do líquido servir para fazer o pré-aquecimento dos condensados antes destes serem enviados de regresso ao vaporizador.

presente invento pode funcionar com fluido geotérmico extraído fonte de energia geotérmica constituída predominantemente por água, sendo tanto a água geotérmica como o vapor de água geotérmico utilizados numa única central de produção de energia, em vez de serem utilizados em centrais separadas. Deste modo, no caso do invento, a água geotérmica vai promover o pré-aquecimento do fluido de trabalho antes deste ser enviado para o vaporizador da central de produção de energia e vai fazer subir a temperatura do fluido de trabalho fazendo-a passar do valor da temperatura no condensador até um valor imediatamente abaixo do da temperatura do vaporizador, e o vapor de água geotérmico vai promover o aquecimento do fluido de trabalho no interior do vaporizador sob condições de temperatura e pressão constantes. A quantidade de

calor disponível no seio do fluido geotérmico, quando este é utilizado sob estas condições, é mais vantajosa do que no caso em que o vapor de ãgua geotérmico é aplicado a uma central de produção de energia separada da central de produção de energia à qual é aplicada a água geotérmica.

Além disso, o presente invento proporciona um método e sistemas próprios para melhorar o funcionamento de condensadores proporcionando para esse efeito um condensador constituído por duas partes, sendo uma dessas partes arrefecida a ar e a outra arrefecida a água, indo de preferência ambas as partes receber em paralelo o vapor ao qual foi retirada energia calorífica que sai da turbina.

Finalmente, o presente invento inclui o funcionamento das centrais de produção de energia desse tipo num sistema de transporte baseado em veículos accionados a energia eléctrica, como por exemplo veículos funcionando com baterias eléctricas, de acordo com o invento apresentado no pedido de patente U.S. No. de Série (P9853) apresentado em 19 de Fevereiro de 1991.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Modelos de realização do invento encontram-se representados nos desenhos anexos nos quais:

a Fig. 1 é um gráfico onde se acha traçada a curva da temperatura em função da quantidade de calor absorvido para um sistema convencional em que o vapor de água geotérmico e a água geotérmica são usados separadamente em diferentes centrais de produção de energia, a fim de melhor se poder compreender as deficiências da utilização de centrais de produção de energia

separadas para cada uma das fases duma fonte de energia geotérmíca bifásica constituída predominantemente por água.

a Fig. 2 é um diagrama de blocos duma central de produção de energia de acordo com o presente invento;

a Fig. 3 é um gráfico onde se acha traçada a curva da temperatura em função da quantidade de calor absorvido para o sistema de vaporizador/pré-aquecedor que se acha representado na Fig. 2;

a Fig. 4 é uma modificação da configuração vaporizador/pré-aquecedor que se acha representada na Fig. 2;

a Fig. 4A é uma implementação da modificação que acha representada na Fig. 4;

se

a Fig. 5 é um diagrama de blocos de outro modelo realização do presente invento; e a Fig. 6 é um diagrama de blocos de realização do presente invento.

de outro modelo de

DESCRIÇÃO PORMENORIZADA

Antes de se proceder à descrição pormenorizada do presente invento, é feita referência à Fig. 1 a fim de se explicar os problemas associados com a utilização de centrais de produção de energia separadas que trabalham segundo um ciclo de Rankine, uma para a água geotérmica e outra para o vapor de água geotérmico produzidos por uma fonte de energia geotérmica constituída predominantemente por água. A curva (10) representa, duma maneira idealizada, a variação que a temperatura do componente

constituído por vapor de água geotérmico da fonte bifásica experimenta ao longo do tempo à medida que o calor vai sendo transferido do vapor de água para um fluido de trabalho, por exemplo um fluido orgânico, no interior dum vaporizador contendo fluido de trabalho à temperatura do vaporizador. Com excepção no que diz respeito à presença de gases não condensáveis arrastados no seio do vapor de água, que afectam negativamente o processo de transferência de calor, todo o calor que é transferido para o fluido de trabalho é proveniente do calor latente contido no seio do vapor de água cuja temperatura se mantém essencialmente constante.

A curva (11) representa a variação que a temperatura do fluido de trabalho experimenta à medida que este último vai sendo aquecido de maneira a que a sua temperatura se vá elevar desde o valor que tem à entrada no interior do vaporizador (essencialmente igual à temperatura do condensador), e que é designada por Tp até atingir o valor da temperatura do ponto de ebulição T£ do fluido de trabalho. A área situada por debaixo da curva (11) entre os limites e representa o chamado calor de pré-aquecimento necessário para fazer aumentar o calor sensível do fluido de trabalho até ao seu ponto de ebulição. Na verdade, o calor de pré-aquecimento constitui uma percentagem apreciável da quantidade total de calor fornecido ao fluido de trabalho; e a totalidade deste calor é fornecida pelo calor latente contido no seio do vapor de água.

Depois de ter sido atingido o ponto de ebulição do fluido de trabalho, o calor latente de vaporização do fluido de trabalho é fornecido pelo calor latente de condensação do vapor de água quando se dá início à vaporização do fluido de trabalho. A temperatura do fluido de trabalho permanece constante durante esta fase, conforme indicado pela curva (12). Da totalidade do

calor que se acha contido no seio do vapor de água vai, durante esta fase, ser transferida para o seio do fluido de trabalho uma quantidade maior do que aquela que é transferida durante a fase de pré-aquecimento. As curvas (10), (11) e (12) são por conseguinte representativas duma central de produção de energia trabalhando, segundo um ciclo de Rankine, com o componente constituído pelo vapor de água duma fonte de energia geotérmica, tal como aquela que se acha descrita na patente '625.

A curva (13) representa, duma maneira idealizada, a variação que a temperatura do componente constituído por água geotérmica da fonte bifásica experimenta ao longo do tempo à medida que o calor vai sendo transferido da água quente para um fluido de trabalho, por exemplo um fluido orgânico, no interior dum vaporizador contendo fluido de trabalho à temperatura do condensador numa central de produção de energia trabalhando segundo um ciclo de Rankine. A totalidade do calor que é transferido da água para o fluido de trabalho é constituída por calor sensível; e, em consequência disso, a temperatura da água vai diminuindo à medida que a temperatura do fluido de trabalho vai subindo. Neste caso o fluido de trabalho vai ser submetido a um pré-aquecimento que vai fazer com que a sua temperatura se vá elevar desde o valor T₁ até ao valor T₃ (conforme representado pela curva (14)), sendo esse pré-aquecimento efectuado pela água à medida que esta vai sendo arrefecida durante a realização do processo. Depois da temperatura do fluido de trabalho ter atingido o ponto de ebulição, a temperatura vai manter-se constante, conforme indicado pela curva (15). Durante esta fase, o calor latente de vaporização do fluido de trabalho vai ser fornecido pelo calor sensível contido no seio da água. Por conseguinte, quando a fonte de calor é constituída por água, a temperatura máxima disponível será inferior àquela que é disponível quando a fonte de calor é constituída por vapor de água. As curvas (13),

(14) e (15) são por conseguinte representativas duma central de produção de energia trabalhando, segundo um ciclo de Rankine, com o componente constituído pela água duma fonte de energia geotérmica, tal como aquela que se acha descrita na patente '953.

Considerando que, no caso duma central de produção de energia trabalhando à base de vapor de água, a parte do funcionamento que diz respeito ao pré-aquecimento é realizada duma maneira muito pouco eficaz sob o ponto de vista energético, e que, no caso duma central de produção de energia trabalhando à base de água, a parte do funcionamento que diz respeito à ebulição é realizada duma maneira pouco eficaz, o resultado disso vai-se traduzir no facto de que o funcionamento global de ambas as centrais não é tão eficaz quanto aquilo que seria possível. 0 presente invento contempla a utilização de ambos os componentes de que é constituído o fluido geotérmico, isto é, tanto o componente constituído pelo vapor de água como o componente constituído pela água, num único sistema. Isto equivale a dizer que o componente constituído pelo vapor de água vai ser utilizado em condições capazes de maximizar a quantidade do calor que é extraído do seio do vapor de água sob condições óptimas de rendimento termodinâmico (isto é, o calor latente de vaporização do fluido de trabalho durante a sua fase de ebulição vai ser fornecido pelo calor latente contido no seio do componente constituído pelo vapor de água), e que o componente constituído pela agua vai ser utilizado em condições capazes de maximizar a quantidade do calor que é extraído do seio da água sob condições óptimas de rendimento (isto é, o calor sensível contido no seio do fluido de trabalho durante a sua fase de pré-aquecimento vai ser fornecido pelo calor sensível contido no seio do componente constituído pela água).

A Fig. 3 ilustra um aparelho que funciona de acordo com o presente invento. A água geotérmica é aplicada ao fluido de trabalho de maneira a promover o pré-aquecimento do fluido de trabalho dando origem a uma variação de temperatura conforme se acha representado pela curva (16). A resultante variação de temperatura no seio do fluido de trabalho é representada pela curva (17). Chama-se a atenção para o facto de que a temperatura da água no início da sua operação de permuta de calor no interior do pré-aquecedor da central de produção de energia é a mesma que a temperatura do vapor de água durante a sua operação de permuta de calor no interior do vaporizador. Durante a vaporização do fluido de trabalho, a temperatura do vapor de água vai permanecer substancialmente constante (excepto no que diz respeito ao efeito devido à presença de gases não condensáveis no seio do vapor de água), conforme se acha representado pela curva (16A), e a temperatura do fluido de trabalho vai permanecer substancialmente constante, conforme se acha representado pela curva (17A). Vai ser muito pequena, caso haja alguma, a quantidade de calor que vai ser retirada do seio do vapor de água para promover o pré-aquecimento do fluido de trabalho.

Uma central de produção de energia de acordo com o presente invento e baseada no conceito anteriormente referido é designada pelo número de referência (20) na Fig. 2 à qual é feita agora referência. A central (20) de produção de energia é utilizada em conjunção com o poço (21) de produção geotérmico que produz um fluido bifásico tal como, por exemplo, um fluido geotérmico constituído predominantemente por água. A mistura de água e vapor de água é aplicada ao separador (22) onde o vapor de água vai ser separado da água, indo o vapor de água ser aplicado ao vaporizador (23) que contém um fluido de trabalho que se apresenta sob a forma dum fluido orgânico tal como, por exemplo, o Freon, um hidrocarboneto (por exemplo, o pentano) ou qualquer

outro fluido semelhante, e indo a água ser aplicada ao pré-aque cedor (30).

pré-aquecedor (30), por razões que dizem respeito ao seu funcionamento e que já foram aqui antériorménté descritas, vai fornecer fluido de trabalho ao vaporizador a uma temperatura muito próxima à do ponto de ebulição. No interior do vaporizador, o fluido de trabalho vai ser vaporizado, indo o calor latente de vaporização ser fornecido pelo calor latente de condensação contido no seio do vapor de água. A conduta (24) vai fornecer fluido de trabalho vaporizado à turbina (25) que é eficaz para converter em trabalho útil uma parte do calor contido no seio do fluido de trabalho, sendo essa conversão realizada por intermédio do funcionamento do gerador (26) que se acha ligado à turbina, e dar origem à produção de fluido de trabalho ao qual foi retirada energia calorífica e que vai ser aplicado ao condensador (27). O calor que se acha contido no seio do fluido de trabalho ao qual foi retirada energia calorífica vai ser rejeitado para a atmosfera, quando neste processo estiver a ser utilizado um condensador arrefecido a ar, ou para a água de arrefecimento quando neste processo estiver a ser utilizado um condensador arrefecido a água; e no interior do condensador o vapor vai ser condensado de maneira a transformar-se em condensados do fluido de trabalho que se apresentam no estado líquido.

A bomba (28) vai receber os condensados, que se acham essencialmente à pressão e à temperatura do condensador, e vai pressurizar os referidos condensados de maneira a obrigá-los a regressar ao vaporizador através do pré-aquecedor (30). No interior do pré-aquecedor, a água geotérmica que é extraída pelo separador (22) de dentro do seio do fluido geotérmico vai ser levado a estabelecer com o fluido de trabalho uma relação de permuta térmica. O calor sensível contido no seio da água vai ser

transferido para o fluido de trabalho conforme sè acha indicado pelas curvas (16) e (17) da Fig. 3. Deste modo, cada um dos componentes do fluido bifásico vai funcionar da maneira mais eficaz; e o rendimento térmico da central de produção de energia vai ser grandemente melhorado em comparação com a situação em que são utilizadas centrais de produção de energia separadas, uma funcionando com o vapor de água e a outra com a água.

A água geotérmica que sai do pré-aquecedor (30), depois de ceder o seu calor sensível ao fluido de trabalho, e assim promover o pré-aquecimento do referido fluido de trabalho, vai-se ^9 combinar no ponto (31) situado a jusante do vaporizador, com os condensados que saem do vaporizador (23) . A bomba (32) vai pressurizar o líquido, a fim de proceder à sua re-injecção no interior do poço de rejeição (34). Os gases não condensáveis que se acham contidos no interior do vaporizador vão ser lançados para fora do vaporizador, comprimidos no compressor (34) e depois também enviados para a conduta de rejeição, a fim de serem injectados no interior do poço de rejeição (34). Pode ser utilizado um processo idêntico àquele que se acha representado na patente '625.

No caso duma modificação do aparelho que se acha representado na Fig. 3, o calor residual que se acha contido no seio dos condensados que saem do vaporizador vai ser aproveitado. O número de referência (40) designa uma modificação da forma de construção da configuração vaporizador/pré-aquecedor que se acha representada na Fig. 3. A modificação (40) compreende o vaporizador (23A) que recebe o vapor de água proveniente do separador (22) e produz fluido de trabalho vaporizado. No entanto, no caso desta modificação, o vapor de água (condensado) ao qual foi retirada energia calorífica e que sai de dentro do vaporizador (23A) vai ser misturado com a água geotérmica que sai do

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separador (22), indo ambos ser aplicados ao pré-aquecedor (30A). Por conseguinte, no interior do pré-aquecedor (30A), o fluido de trabalho vai absorver uma quantidade de calor adicional proveniente dos condensados que saem de dentro do vaporizador (23A) antes dos condensados serem enviados para o poço de rejeição. Portanto a Fig. 4 representa um aparelho de acordo com o invento que inclui um sistema (41) que é próprio para aplicar o vapor de água ao qual foi retirada energia calorífica, ou condensados, que são descarregados do vaporizador para dentro do pré-aquecedor.

Procedendo-se à mistura dos condensados de vapor de água com a água ou salmoura geotérmica que sai do separador (22) antes de se aplicar a água ao pré-aquecedor (30A), consegue-se extrair mais calor do seio da salmoura geotérmica. Isto é importante porque a referida água ou salmoura geotérmica contém frequentemente sílica e/ou outros materiais semelhantes que têm tendência para se precipitar quando a temperatura dessas salmouras desce. A precipitação que se verifica nessas circunstâncias vai formar depósitos em vários dos componentes e/ou nas tubagens, depósitos esses que vão interferir com as caracteristicas de permuta de calor apresentadas por parte desses componentes e eventualmente provocar a sua deterioração. A fim de fazer com que a sílica se vá manter dissolvida no seio da salmoura, deverão ser tomadas providências para que a temperatura da salmoura se mantenha normalmente com um valor razoavelmente elevado, por exemplo cerca de 120°C, à saída do poço. Utilizando, de acordo com o processo característico do presente invento, os condensados para diluir a salmoura antes desta entrar no pré-aquecedor, pode-se fazer descer consideravelmente, por exemplo para cerca de 90 °C, a temperatura de saída da salmoura no pré-aquecedor, a fim de se poder extrair uma maior quantidade de calor sem que se verifique precipitação de sílica ou de outros materiais

semelhantes nas paredes do pré-aquecedor, ou do sistema de tubagens, ou de outros componentes.

Na Fig. 4A encontra-se representado um modelo de realização duma central de produção de energia que utiliza a modificação que se acha representada na Fig. 4. No caso deste modelo de realização são mostrados dois poços de produção geotérmicos (21B) e (21C) a serem utilizados juntamente com dois

separadores (22B) e (22C), em vez de um único poço de produção e um único separador conforme se acha representado na Fig. 2. Na verdade, irão ser utilizados muitos poços de produção e muitos separadores num sistema constituído por uma única central de produção de energia, que será de natureza modular, através da utilização duma pluralidade de poços de produção e de separadores.

separador (22B) vai separar o fluido geotérmico extraído do poço de produção (21B) numa corrente de vapores e numa corrente líquida. A corrente de vapores contém vapor de água geotérmico separado que vai ser conduzido através dum sistema de tubagens para o vaporizador (23B) que contém um fluido orgânico, como por exemplo um n-pentano, no estado líquido. 0 vapor de água vai ceder o seu calor ao fluido orgânico que se vaporiza, produzindo condensados de vapor de água que vão ser extraídos do vaporizador por meio de bombagem e misturados com salmoura ou água geotérmica que constitui a corrente líquida produzida pelo separador (22B). A mistura resultante vai passar para dentro do pré-aquecedor (30B) promovendo o pré-aquecimento do fluido de trabalho orgânico no estado líquido antes deste último ser enviado através dum sistema de tubagens para dentro do vaporizador (23B). A mistura à qual foi retirada energia calorífica vai ser descarregada, de preferência, para dentro dum poço de re-injecção (não representado).

No caso do presente modelo de realização, o fluido de trabalho orgânico vaporizado vai ser aplicado em paralelo, por intermédio dum sistema de tubagens (24B), a um par de turbinas (25B) e (25C) trabalhando a fluido orgânico que, por intermédio do gerador (26B) que se acha ligado às turbinas através de uniões (31B) e (31C) que podem ser actuadas duma maneira selectiva, vão converter em trabalho útil uma parte do calor contido no seio do fluido de trabalho. 0 fluido de trabalho ao qual foi retirada energia calorífica vai ser descarregado pelas turbinas e aplicado aos condensadores (27B) e (27C). Os condensadores (27B) e (27C) são, de preferência, arrefecidos a ar, de maneira que o calor que se acha contido no seio do fluido de trabalho ao qual foi retirada energia calorífica vai ser lançado para o ar ambiente por esses condensadores. Em consequência disso os condensadores vão produzir condensados de fluido de trabalho no estado líquido. Estes condensados vão ser, por meio da acção de bombagem realizada pela bomba (28B), obrigados a regressar novamente ao vaporizador (30B), indo desse modo completar o ciclo do fluido de trabalho.

A utilização de um par de turbinas (25B) e (25C) ligadas ao gerador (26B) por intermédio das uniões (31B) e (31C), vai dar origem a uma maior flexibilidade de funcionamento ao permitir que a potência debitada pelo gerador possa ser controlada duma maneira muito simples. Por exemplo, a potência debitada pelo gerador vai ser medida pelo sistema de controlo (29B) que vai emitir uns sinais de controlo que vão fazer funcionar as válvulas (VI) e (VI) que vão reduzir o caudal da corrente de fluido de trabalho vaporizado para as admissões das turbinas (25B) e (25C). Desta maneira pode ser controlada a velocidade do gerador e, por conseguinte, controlada a potência eléctrica debitada por esse mesmo gerador.

As uniões (31B) e (31C) podem incluir engrenagens e embraiagens que podem ser controladas duma maneira selectiva e individual, a fim de permitir o funcionamento das turbinas quer separadamente quer em conjunto. As partes das uniões que são constituídas por engrenagens proporcionam inércia que serve para amortecer a reacção das turbinas às súbitas alterações registadas na carga eléctrica. Além disso, no caso deste modelo de realização é utilizado um par de condensadores que vão proporcionar uma flexibilidade adicional ao sistema.

Caso se deseje, pode ser proporcionada a existência duma conduta (43) própria para interligar as condutas de descarga de cada uma das turbinas, a fim de fazer com que o fluido de trabalho ao qual foi retirada energia calorífica vá passar para ambos os condensadores mesmo no caso de só uma, ou nenhuma, das turbinas estar a funcionar. Pode ser proporcionada a existência duma conduta (44) própria para estabelecer uma ligação de derivação a ambas as turbinas, de maneira a fazer com que o vaporizador (23B) vá ficar ligado directamente aos condensadores. Este esquema permite efectuar o controlo da pressão no interior do vaporizador, e também permite que a central de produção de energia possa permanecer aquecida de maneira a estar pronta para começar imediatamente a funcionar, de modo a permitir que o gerador possa ser posto rapidamente em carga.

Ê também proporcionada a existência duma conduta de respiração (46) própria para descarregar para a atmosfera os gases não condensáveis que se acham contidos no seio do vapor de água geotérmico. Em alternativa, os gases não condensáveis podem, duma maneira convencional, ser conduzidos através dum sistema de tubagens para um poço de re-injecção (não representado). Durante a realização deste processo, uma pequena quantidade de vapor de água, normalmente cerca de 10% da quantidade total de vapor de

água que passa através do vaporizador, vai ser extraída como parte da operação de respiração.

Outro modelo de realização do anteriormente referido sistema de controlo encontra-se representado na Fig. 5 que mostra uma central de produção de energia geotérmica que se acha equipada com dois ou mais módulos de central de produção de energia semelhantes à central de produção de energia apresentada no pedido de patente '565 anteriormente identificado. No caso do modelo de realização que se acha representado na Fig. 5, bem como no caso do aparelho que se acha apresentado no pedido de patente '565, é utilizado um único gerador accionado por um par de turbinas.

O funcionamento do sistema de central de produção de energia que se acha representado na Fig. 5 encontra-se descrito no pedido de patente '565. Duma maneira resumida, a central de produção de energia geotérmica (50) inclui o poço de produção (51) e o poço de injecção (52). 0 fluido geotérmico produzido pelo poço de produção (51), compreendendo uma mistura de vapor de água e salmoura, é aplicado ao separador (53) de vapor/salmoura que produz uma corrente de vapores (54) contendo vapor de água, e uma corrente líquida (55) contendo salmoura geotérmica quente. Devido ao facto desta salmoura ir arrefecendo à medida que vai sendo conduzida através dum sistema de tubagens para o poço de injecção (52), pode ser utilizada a bomba (56) com a finalidade de se evitar que as substâncias minerais que se acham contidas nesta corrente se precipitem antes da salmoura chegar ao poço de injecção.

A central (50) de produção de energia é representada como uma central compreendendo dois módulos, mas isso é feito apenas com fins ilustrativos, sendo fácil de perceber que poderão

ser utilizados muitos mais módulos numa central de produção de energia completa. Cada um dos módulos é idêntico aos outros, de maneira que apenas irá ser descrito um módulo. Conforme se acha representado na Fig. 5, cada um dos módulos inclui uma turbina a vapor (57) cuja admissão se acha equipada com um dispositivo de estrangulamento (58) e que se destina a receber o vapor de água contido na corrente (54). A turbina (57) funciona duma maneira convencional com o vapor de água, dando origem à produção de trabalho e de vapor de água ao qual foi retirada energia calorífica que vai ser descarregado através da conduta de descarga (59). 0 condensador de vapor (60) é utilizado para arrefecer o vapor de água ao qual foi retirada energia calorífica que sai da turbina através da conduta de descarga (59) e para dar origem à produção de condensados que vão ser conduzidos através da conduta de condensados (61) para dentro do poço de injecção (52). Pode ser proporcionada a existência duma bomba (não representada) própria para pressurizar os condensados duma maneira suficiente para fazer com que estes sejam obrigados a entrar no poço de injecção. Antes de se proceder à injecção dos condensados dentro do poço, estes vão ser combinados com a salmoura geotérmica indo deste modo servir para reduzir a concentração da salmoura e inibir ainda mais as precipitações no interior do sistema de tubagens que conduzem ao poço de injecção.

condensador (60) é arrefecido com um fluido orgânico, como por exemplo pentano, que é vaporizado no interior do condensador (60) e é aplicado na turbina (62) que trabalha com fluido orgânico, onde o vapor se vai expandir e produzir trabalho e vapor ao qual foi retirada energia calorífica e que vai ser aplicado ao condensador (63). 0 condensador (63) deverá ser, de preferência, um condensador arrefecido a ar que vai promover a condensação do vapor orgânico ao qual foi retirada energia

calorífica e enviar esses condensados para o condensador de vapor (60).

A turbina a vapor e a turbina que trabalha com fluido orgânico encontram-se contidas nos módulos da central de produção de energia, conforme representado na Fig. 5. É proporcionada a existência dum único gerador, indicado pelo número de referência (65). O gerador (65) é ligado à turbina a vapor (57) e à turbina (62) que trabalha com vapor orgânico, respectivamente através das uniões (66) e (67) que podem ser actuadas duma maneira selectiva. Esta uniões ou embraiagens podem ser actuadas duma maneira individual, quer manualmente quer automaticamente, com a finalidade de promover de modo selectivo a ligação duma ou doutra turbina, ou de ambas as turbinas, ao gerador (65).

A energia produzida pelo gerador vai ser aplicada a uma rede eléctrica por intermédio dum sensor (68) que é próprio para monitorar a carga sobre o gerador. O sensor (68) é próprio para controlar, de acordo com a carga eléctrica, o dispositivo de estrangulamento (58) com que se acha equipada a admissão da turbina de vapor (57).

A central (50) de produção de sistema de derivação (de bypass) (70) forma dum adequado sistema uma passagem de derivação equipada com um dispositivo (57) quando a válvula (71) for aberta e o dispositivo de energia também inclui que se que permite à admissão de tubagens (um bypass) de estrangulamento (58) um apresenta sob estabelecer que e à se acha turbina estrangulamento (58) for fechado. Desta maneira, o vapor de ãgua contido na corrente de vapores poderá ser aplicado directamente ao condensador (60) durante períodos em que a carga é de valor relativamente reduzido ou em que se procede à realização de operações de manutenção da turbina (57)· Este esquema permite assegurar um regime de funcionamento contínuo para o poço de produção (51).

Finalmente, os gases não condensáveis contidos no seio do vapor de água descarregado pela turbina (57) vão ser lançados para fora do condensador (60) no ponto (72) . Estes gases podem ser comprimidos e conduzidos para o poço de injecção (52) através dum sistema de tubagens.

rendimento térmico duma central de produção de energia pode ser aumentado por meio da utilização dum permutador de calor (64) entre os condensados de pentano produzidos pelo condensador (63) e os condensados de vapor de água que são enviados para o poço de re-injecção (52).

Apesar da descrição que acaba de ser feita dizer respeito a um tipo específico de fluido bifásico, designadamente a fluidos derivados duma fonte de energia geotérmica constituída predominantemente por água, o invento também pode ser aplicado a outros tipos de fluidos bifásicos em que uma das fases é constituída por um gás quente condensável contendo calor latente e a outra fase é constituída por um líquido quente. Além disso, o invento que acaba de ser aqui descrito também pode ser aplicado a situações em que se encontram disponíveis fontes separadas de vapor de água quente e de líquido ou água quente.

A fim de se poder aumentar ainda mais o rendimento termodinâmico das centrais de produção de energia do tipo daquelas que acabam de ser aqui descritas, ou de aumentar o rendimento duma única turbina, o condensador utilizado nessas instalações pode ser equipado com uma parte arrefecida a ar e com outra parte arrefecida a água para a condensação do fluido de trabalho ao qual foi retirada energia calorífica e que é descarregado a

partir da turbina. Na Fig. 6, à qual se passa agora a fazer referência, encontra-se representado, como uma parte integrante da central (80) de produção de energia, um condensador de acordo com o presente invento. De dentro do poço (81) é extraído um fluido geotérmico, como por exemplo salmoura, que vai ser depois aplicado ao vaporizador (90) que contém um fluido de trabalho orgânico no estado líquido, como por exemplo isopentano ou n-pentano. 0 fluido de trabalho vai ser vaporizado no interior do vaporizador, e a salmoura à qual foi retirada energia calorífica vai ser rejeitada para dentro do poço de re-injecção (82). O fluido de trabalho vaporizado vai ser aplicado à turbina (92) onde parte do calor irá ser convertido em trabalho por intermédio do gerador (93), e o fluido de trabalho vaporizado ao qual foi retirada energia calorífica que foi descarregado a partir da turbina vai ser aplicado, em paralelo, à parte (94A) do condensador (94) que é arrefecida a ar e à parte (94B) do condensador (94) que é arrefecida a água. A torre de arrefecimento (96), e/ou o tanque (96A) de recolha da água de arrefecimento pulverizada, encontra(m)-se operacionalmente associada(o/os) duma maneira convencional à parte (94B) do condensador (94) que é arrefecida a água. Depois do fluido de trabalho vaporizado ao qual foi retirada energia calorífica se ter condensado no interior do condensador (94), transformando-se em condensados no estado líquido, esses condensados vão ser aspirados de dentro do condensador e bombeados para dentro do vaporizador (90) por meio da bomba de circulação (98) de maneira a completar-se o ciclo do fluido de trabalho.

Ambas as partes de que é formado o condensador são concebidas para funcionar duma maneira contínua durante todo o ano, de verão e de inverno. No inverno, o funcionamento da parte que é arrefecida a água vai ser impedido de se realizar quando a temperatura ambiente desce abaixo do ponto de congelação e a água

de arrefecimento congela. Nesse caso, a maior parte do arrefecimento irá ser realizada pela parte do condensador que é arrefecida a ar, e a temperatura mais baixa do condensador irá portanto ser inferior à de congelação.

No verão, o funcionamento da parte que é arrefecida a ar vai ser impedido de se realizar quando a temperatura ambiente sobe muito. Nesse caso, a maior parte do arrefecimento irá ser realizada pela parte do condensador que é arrefecida a água. Em particular, quando o tempo é relativamente seco e a temperatura é relativamente elevada, a torre de arrefecimento irá arrefecer a água até uma temperatura inferior à temperatura de bolbo seco do ar ambiente, e mais especificamente, até uma temperatura que se aproxima da temperatura de bolbo húmido do ar. A temperatura mais baixa do condensador irá portanto ser inferior à temperatura (de bolbo seco) do ar ambiente.

Em consequência da maneira como o condensador (94) se acha concebido, o controlo do caudal do fluido de trabalho vaporizado que passa no interior do condensador irá ser feito duma maneira natural, ou automática, eliminando-se deste modo a necessidade de quaisquer controlos exteriores. Além disso, em todas as condições práticas de temperatura ambiente, o caudal do fluido de trabalho vaporizado irá ser proporcional à capacidade de arrefecimento de cada uma das partes de que é constituído o condensador.

Finalmente, no caso dum outro modelo de realização do presente invento, qualquer uma das anteriormente descritas centrais de produção de energia é particularmente bem adequada para ser utilizada num local geograficamente isolado, como por exemplo uma ilha, onde haja períodos durante os quais se registam picos de consumo de energia, normalmente durante o dia, e períodos durante os quais o consumo de energia é relativamente reduzido, normalmente durante a noite. A energia produzida durante os períodos de baixo consumo de energia pode ser utilizada para carregar as baterias dos veículos accionados por baterias que são normalmente utilizados durante os períodos em que se registam picos de consumo de energia. 0 funcionamento deste modelo de realização encontra-se, de acordo com o invento, apresentado no pedido de patente (P9853) anteriormente identificado.

As vantagens e os melhores resultados proporcionados pelo método e pelos aparelhos característicos do presente invento tornam-se evidentes a partir da descrição do modelo de realização preferencial que acaba de ser aqui apresentada. Podem ser feitas várias alterações e modificações sem se sair do âmbito do invento tal como este se acha descrito nas reivindicações anexas.

Claims

ia. - Central de produção de energia a partir da energia geotérmica, caracterizada por compreender:

a) um sistema próprio para extrair um fluido geotérmico de dentro dum poço de produção;

b) um separador de vapor/salmoura próprio para separar o referido fluido numa corrente de vapores contendo vapor de água e numa corrente líquida contendo salmoura quente;

c) uma turbina a vapor cuja admissão se acha equipada com um dispositivo de estrangulamento e que se destina a receber a referida corrente de vapores e a produzir trabalho e vapor de água ao qual foi retirada energia calorífica;

d) um condensador de vapor próprio para arrefecer o referido vapor de água ao qual foi retirada energia calorífica e para produzir condensados;

e) um sistema próprio para combinar a referida corrente líquida com os referidos condensados, a fim de produzir uma corrente combinada; e i

f) um poço de injecção próprio para receber a referida corrente combinada.

22. - Central de produção de energia, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por incluir:

a) um sistema próprio para arrefecer o referido condensador de vapor por meio dum fluido orgânico, dando assim origem à produção de fluido orgânico vaporizado;

b) uma turbina a vapor orgânico que reage ao fluido orgânico vaporizado de maneira a produzir trabalho e vapores orgânicos aos quais foi retirada energia calorífica;

c) um condensador de fluidos orgânicos próprio para condensar os referidos vapores orgânicos aos quais foi retirada energia calorífica e para fazer regressar os resultantes condensados para dentro do condensador de vapor;

d) um único gerador; e

e) um sistema de ligação que vai ligar o referido gerador tanto à referida turbina a vapor como à referida turbina a vapor orgânico, a fim de dar origem à produção de energia.
3a. - Central de produção de energia, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada por o referido sistema de ligação ser construído e disposto de maneira a que tanto a turbina a vapor como a turbina a vapor orgânico poderem ser selectivamente ligadas, cada uma de per si, ao referido gerador.
4a. - Central de produção de energia, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada por incluir um sensor próprio para detectar a descarga do referido gerador, e um sistema que reage ao referido sensor de maneira a controlar o dispositivo de estrangulamento com que se acha equipada a admissão para o interior da referida turbina a vapor.
5â. - Central de produção de energia, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada por incluir um sistema de derivação (de bypass) próprio para estabelecer duma maneira selectiva uma passagem de derivação (um bypass) à referida admissão que se acha equipada com um dispositivo de estrangulamento e para ligar directamente a referida corrente de vapores ao referido condensador.