PT1421259E - Integração micro combinada para o fornecimento de sistema de energia eléctrica - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO

"INTEGRAÇÃO MICRO COMBINADA PARA O FORNECIMENTO DE SISTEMA DE ENERGIA ELÉCTRICA" A presente invenção refere-se em geral a um sistema de Cogeração para o fornecimento de energia eléctrica, água para aquecimento ambiente (SH-Space Heating) e água quente para uso doméstico {DHW™ DomeStic Hot Water) e, mais especificamente, a um sistema de Cogeração em pequena escala do tipo Rankine, que utiliza um expansor de espiral e um fluido de funcionamento orgânico. Ver, p.ex. WO-A-01/055561. O conceito de cogeração, ou ciclo combinado de energia e calor (CHP~Coinbined Heat and Power) foi, durante algum tempo, conhecido como uma forma de melhorar o rendimento global de sistemas de produção de energia. Com um sistema de Cogeração convencional, o calor (normalmente sob a forma de ar ou água quente) e a electricidade são as duas formas de energia que são geradas. Num sistema deste tipo, o calor produzido a partir de um processo de combustão pode accionar um gerador eléctrico, assim como aquecer água e, muitas vezes, transformando-a em vapor para habitação ou calor de processo. A maioria dos sistemas de cogeração actuais tende a ser muito maior, produzindo calor e energia, quer para um vasto número de consumidores quer para grandes empresas industriais. Tradicionalmente, as economias de escala impediram que esta abordagem fosse extrapolada para um simples ou moderado número de 2 utilizadores. Não obstante, os aumentos dos custos do petróleo reduziram os benefícios da energia gerada centralmente. Deste modo, existe um mercado potencial alargado onde muitos produtores e distribuidores relativamente anónimos de calor e electricidade podem ser utilizados. Por exemplo, numa actual infra-estrutura de transporte de calor antiquada, onde a existência de tubagens para transporte de fluídos é difusa, a inclusão de um sistema de Cogeração seria especialmente promissor, uma vez que não há qualquer perturbação da estrutura da construção adjacente para introduzir as novas tubagens que são necessárias. Do mesmo modo, a capacidade multifuncional inerente ao sistema de Cogeração também pode reduzir a redundância estrutural. 0 mercado para uma capacidade de geração de calor na Europa e no Reino Unido (RU), bem como em determinadas áreas dos Estados Unidos, dita que uma única unidade para uma casa de habitação e um pequeno comércio pode fornecer calor para aquecimento ambiente (p.ex., um sistema que utilize água para aquecimento) e água quente para uso doméstico (p.ex., um chuveiro, lavatório ou banheira) através de procura ou sistema instantâneo. As actuais unidades combinadas são muitas vezes utilizadas, em que o calor para água quente doméstica é acumulado num reservatório de armazenamento e numa serpentina de caldeira. Numa configuração, a água de aquecimento ambiente circula através de uma serpentina de caldeira que actua como elemento de aquecimento da água no reservatório de armazenamento. Por exemplo, uma vez que a capacidade de armazenamento necessária para abastecimento instantâneo de 3 água quente doméstica a um ou dois chuveiros numa casa particular (uma moradia ou apartamento grande) é aproximadamente de 120 a 180 litros (cerca de 30 a 50 galões), conclui-se que a dimensão do reservatório de armazenamento necessita de ser bastante superior e, algumas vezes, de dimensão proibitiva para satisfazer requisitos térmicos até 25 quilowatts térmicos (kWt), para a água quente armazenada conseguir responder ao período de maior utilização. Porém, nas habitações mais modernas e de menores dimensões muitas vezes não existe espaço suficiente para alojar esse tipo de reservatório de armazenamento. Para além da necessidade de uma capacidade de água quente doméstica instantânea até 25 kWt, são necessários sazonalmente até 10 kW de água de aquecimento ambiente para aquecer uma habitação de média dimensão.

Para além disso, mesmo no caso de sistemas que utilizam água de aquecimento ambiente e água quente doméstica num único sistema de aquecimento para racionalizar espaço, o fornecimento de um sistema de Cogeração não está incluído. No exemplo acima referido, é provável que os requisitos eléctricos concomitantes com a utilização de 35 kWt venham a ser entre 3 e 5 quilowatts eléctricos (kWe) . A abordagem convencional de fornecer as duas formas de energia, tal como anteriormente discutido, era ter uma estação central de produção de electricidade numa rede comum a milhares, ou até milhões de utilizadores, com capacidade de produção de calor e de água quente, localizada próximo ou afastada do utilizador final, numa base individual ou de pequenos grupos. Desta forma, com a abordagem convencional, o consumidor não só tem um controlo reduzido sobre o custo de 4 produção de energia, porque esse custo está sujeito às tarifas em vigor e à procura por parte de outros consumidores, como também paga mais devido à ineficiência inerente a um sistema que não explora o sinergismo de utilizar, de outra forma, o calor perdido para fornecer a capacidade de produção de energia ou de aquecimento adicional,

Os sistemas de Cogeração em larga escala (na gama de megawatt (MW) e acima), enquanto úteis para reduzir as ineficiências acima referidas de instalações de produção de energia (sistemas centrais), não estão bem adaptadas para fornecer energia e calor em pequena escala (menos de algumas centenas de kW) , nomeadamente na gama de pequena escala de alguns kWe e inferior (micro-sistemas) a algumas dezenas de kWe (mini-sistemas). Isto deve-se, em grande medida, à incapacidade de redução dos grandes sistemas geradores de força motriz, uma vez que eficiência muitas vezes só é atingida através de sistemas com capacidade de resposta a variações de carga, a tolerâncias dimensionais mais estritas de componentes chave e a elevados custos de capital directos. Representativas desta classe de equipamentos são as turbinas a gás, cuja construção é dispendiosa para aplicações de pequena escala e prejudica a eficiência quando funcionam acima dos requisitos de variações de carga eléctrica. Os dispositivos de melhoria de eficiência, tais como recuperadores, tendem a reduzir o calor disponível para os circuitos de água quente doméstica ou água de aquecimento ambiente , limitando assim a sua 5 utilização em aplicações com um rácio calor-energia (adiante designado por Q/P). Uma subclasse de turbinas a gás com base num sistema gerador de força motriz é a micro-turbina, que inclui um gerador de alta velocidade acoplado a um sistema electrónico de energia, poderia ser uma abordagem fiável aos sistemas de cogeração de pequena escala. Outras deficiências associadas aos sistemas de Cogeração em grande escala decorrem de configurações com uma vida limitada e que têm custos de manutenção elevados. Esta classe inclui geradores de força motriz que incorporam motores de combustão interna convencionais, em que alterações de ruido, emissões de escape, óleo de lubrificação, vela de ignição e os requisitos de manutenção e embalagem tornam questionável a sua utilização numa habitação ou pequeno comércio. Esta classe de gerador de força motriz também não rejeita uma quantidade suficiente de calor para situações que exijam um Q/P elevado, tal como o que se pode esperar encontrar numa casa de habitação. Outras configurações de geradores de força motriz, tais como turbinas a vapor, enquanto geralmente são conducentes a Q/P elevados, adaptam-se ainda menos a variações de requisitos eléctricos do que as turbinas a gás. Além disso, a abordagem com base num sistema a vapor normalmente implica um arranque lento do sistema e custos iniciais elevados, sendo desaconselhado para aplicações de pequena escala.

Tendo em conta as actuais limitações da arte, os inventores desta invenção descobriram que o que é necessário é um sistema autónomo que integre a produção de energia e calor num gerador-distribuidor de energia que 6 seja económico, compacto e eficiente.

Estas necessidades são satisfeitas pela presente invenção em que é descrito um novo sistema de micro™ cogeração. No sistema de micro-cogeração, um gerador de força motriz compacto pode fornecer saída de energia eléctrica, tal como a partir de um gerador acoplado a uma fonte de calor, bem como uma saída de calor para fornecimento de ar quente ou água quente a habitações. 0 que distingue o sistema de micro-cogeração do sistema de Cogeração convencional é a sua dimensão: no micro-sistema de Cogeração, a saída eléctrica é bastante pequena, na gama baixa de kW3 ou até sub-kW. 0 sistema da presente invenção pode dar uma resposta rápida às necessidades de água quente para uso doméstico, uma vez que a dimensão dos reservatórios requerida para armazenar a água é extremamente reduzida. A dimensão do micro-sistema de Cogeração descrito neste documento, pode ser adaptada às necessidades de utilizadores particulares; por exemplo, um sistema para uma única habitação poderá ser dimensionado para produzir aproximadamente de 3 a 5 kWe, 10 kWt de água de aquecimento ambiente e 25 kWt de água quente doméstica. Para utilização em pequenas aplicações comerciais ou multi-habitação (p.ex., um grupo de unidades de apartamentos), o sistema poderá ser aumentado em conformidade. O rácio calor-energia, Q/P, é um parâmetro importante para configuração do sistema. Para a maioria das aplicações em habitações e pequeno comércio, um Q/P na gama de 7:1 a 11:1 é preferível, dado que rácios muito mais baixos poderão resultar em produção de energia perdida, e rácios muito mais elevados do que os referidos não são eficazes para 7 todos, mas para os climas mais frios (em que a necessidade de aquecimento é mais constante do que sazonal). Considerando que a produção de electricidade (por exemplo, através de um gerador ou célula de bateria) é um subproduto do processo de produção de calor por gerador de força motriz, não é produzido dióxido de carbono adicional nem poluentes atmosféricos, o que torna o sistema da presente invenção adequado para requisitos de controlo de emissões mais rigorosos.

De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é divulgado um sistema de Cogeração. O sistema de Cogeração inclui um fluido de funcionamento orgânico, uma fonte de calor com capacidade de sobreaquecimento do fluido de funcionamento orgânico, um primeiro circuito para transportar o fluido de funcionamento orgânico e um gerador para produzir energia. Pelo menos uma parte do primeiro circuito, que inclui um expansor de espiral, um condensador e uma bomba, está em comunicação térmica com a fonte de calor. Δ bomba faz circular o fluido de funcionamento orgânico através do primeiro circuito. De preferência, a fonte de calor é um queimador em comunicação térmica com um evaporador para que o calor fornecido pelo queimador faça com que o fluido de funcionamento orgânico que flúi através do evaporador fique sobreaquecido. Neste contexto, o termo "comunicação térmica" destina-se a abranger amplamente todos os casos de permuta térmica obtida em resultado do acoplamento entre os componentes do sistema, enquanto a "comunicação de permuta de calor é menos abrangente (abaixo discutida) e se destina a abranger a relação mais especifica entre os componentes de permuta de calor directa 8 e adjacente desenhada especificamente para esse efeito. Pela natureza do fluido de funcionamento orgânico, este mantém-se num estado sobreaquecido antes de entrar no expansor de espiral e depois de sair do mesmo. A elevada densidade do vapor e as propriedades de transferência do calor do fluido de funcionamento sobreaquecido asseguram que o calor e a energia máximos podem ser extraídos do fluido sem necessidade de recurso a um grande expansor. O sistema de Cogeração pode ser configurado de modo a que o fluido de funcionamento orgânico seja accionado directa ou indirectamente. Na configuração anterior, a relação entre o queimador e evaporador de transporte do fluido de funcionamento orgânico é de forma a que a chama do processo de combustão no queimador colida directamente na conduta que transporta o fluido ou num reservatório (alternativamente aqui referido como câmara de combustão), o qual aloja pelo menos uma parte da conduta de transporte do fluido de funcionamento orgânico onde o fluído de funcionamento orgânico é sobreaquecido, é considerado o evaporador. Na última configuração, a chama do processo de combustão no queimador deixa uma parte do seu calor para a conduta que constitui um circuito secundário que, por sua vez, transfere um fluido de permuta de calor para um permutador de calor inter-circuitos. 0 fluído da permuta de calor poderá ser água, uma mistura de água e um aditivo inibidor de congelação (p.ex., propileno glicol) ou um orgânico, tal como o do fluido de funcionamento orgânico do primeiro circuito. 0 fluido do primeiro circuito do permutador de calor é ligado ao primeiro circuito de transferência do fluido de funcionamento orgânico, enquanto 9 o fluído do segundo circuito é ligado ao segundo circuito de transferência do fluido do permutador de calor. De preferência, o permutador de calor inter-circuitos é situado entre a bomba e o expansor de espiral do primeiro circuito para que actue como evaporador do fluido de funcionamento orgânico. A última configuração pode também incluir um dispositivo de pré-aquecimento do circuito de aquecimento ambiente que está em comunicação de permuta de calor com o segundo condensador para que uma parte do calor ainda presente no fluido de permuta de calor, depois de deixar uma parte do seu calor para o fluido de funcionamento orgânico no permutador de calor inter-circuitos, possa ser utilizado para pré-aquecer o fluido num circuito de aquecimento de água externo

Tal como na configuração anterior, o queimador pode ser colocado no interior de um reservatório. Nas duas configurações, o reservatório pode incluir uma conduta de exaustão para transportar os produtos de combustão (principalmente o gás de escape), um ventilador de exaustão para facilitar posteriormente a remoção deste produto, assim como um permutador de calor do gás de exaustão colocado adjacente (de preferência no interior) à conduta de exaustão para que o calor residual existente no gás de escape possa ser usado para aquecimento adicional noutras partes do sistema de Cogeração. O permutador de calor do gás de escape pode ainda incluir um dispositivo de recirculação do gás de escape para melhorar a transferência de calor de gás de escape. Na anterior configuração, o calor recolhido pelo permutador de calor do gás de escape pode ser encaminhado para diversos locais no primeiro 10 circuito ou no circuito de aquecimento ambiente para fornecer um pré-aquecimento adicional do fluido de funcionamento orgânico ou do fluido de aquecimento ambiente, respectivamente. Além disso, cada configuração pode se adaptada para permutar o calor com um circuito de água quente doméstica externo. A permuta de calor pode ser ainda realizada num permutador de calor com uma configuração idêntica ao do condensador, do modo a que os dois circuitos individuais fiquem colocados lado a lado para facilitar a transferência de calor entre os respectivos fluidos que fluem no seu interior ou num reservatório de armazenamento (tal como um reservatório de armazenamento de água quente), para que o fluido ai armazenado (de preferência água) seja mantido a uma temperatura elevada com vista a um fornecimento de água quente a torneiras, banheiras e chuveiros imediatamente disponível. No caso de uma abordagem com base num reservatório de armazenamento, o aquecimento adicional do líquido no reservatório pode ocorrer através de um elemento de aquecimento que receba a sua energia a partir de um gerador. Se não existir qualquer reservatório, o calor do circuito de água de aquecimento ambiente pode ser obtido a partir de uma ligação ao condensador do primeiro circuito (na configuração de sistema de accionamento directo) ou ao fluido de permuta de calor que flúi através do segundo circuito (na configuração de sistema de accionamento indirecto). Além disso, nas duas configurações accionadas directa ou indirectamente, se for aconselhável manter a capacidade de água de aquecimento ambiente ao mesmo tempo que se mantém um sistema simples e de baixo custo, pode ser utilizado um queimador multi-fases ou de sobredimensionado. 11

Este aquecimento imediato pode reduzir a dimensão, ou até obviar a necessidade de um reservatório de armazenamento de grandes dimensões, e manter a capacidade de fornecer "instantaneamente" um grande volume de água quente, quando necessário.

As condições de funcionamento, incluindo a temperatura e a pressão máximas do primeiro circuito do sistema de Cogeração, são configuradas dentro da gama de concepção do fluido de funcionamento orgânico. Pode ser incorporado um controlador para monitorizar e, se necessário, alterar os parâmetros de funcionamento no sistema. No sistema podem ser incorporados interruptores, sensores e válvulas para ajudar o controlador a executar a sua função. Por exemplo, para proteger o expansor de velocidade excessiva durante os picos de arranque ou de fecho ou de baixa carga na rede (ou inexistente), o controlador pode ter válvulas de bloco ou válvulas de passagem, que forcem o fluido de funcionamento orgânico sobreaquecido a ultrapassar o expansor. 0 controlador também pode integrar condições determinadas pelo utilizador através de um termostato. A utilização do fluido de funcionamento orgânico, mais ainda do que fluido prontamente disponível (p.ex., água), é importante quando o local de expedição e mesmo algumas utilizações finais possam sujeitar partes do sistema a congelação (temperaturas inferiores a 32° Fahrenheit). Com um sistema cheio de água, os danos e a inoperacionalidade podem ocorrer após a exposição prolongada a temperaturas de subcongelação. Além disso, utilizando um fluido de funcionamento orgânico em vez de água, evitam-se os 12 problemas de corrosão relativos à água na presença do oxigénio, e os problemas de dimensionamento ou faseamento do expansor associados a fluidos de baixa densidade de vapor. 0 fluido de funcionamento orgânico é preferencialmente um refrigerante halocarbonado ou um hidrocarboneto natural. Os exemplos do anterior, incluem o R~245fa, e os exemplos do último incluem alguns alcalinos como, por exemplo, isopentane. Outros fluidos e refrigerantes de funcionamento conhecidos são excluídos por outras razões. Por exemplo, o R-ll pertence a uma classe de refrigerantes que actualmente está proibida em muitos países do mundo por razões ambientais. Do mesmo modo, o R-123, muito menos questionável em termos ambientais (por enquanto) do que o R-ll, é objecto de preocupações de decomposição em determinadas condições de funcionamento de micro-cogeração. A necessidade de operar o condensador a uma temperatura suficientemente elevada que permita o aquecimento ambiente requerido e a necessidade de ter um rácio de expansão de vapor substancial (de 5 a 7 ou 8) limita o número de fluidos com propriedades úteis. Para além disso, a necessidade de ter uma densidade de vapor substancial à entrada do expansor, tem um impacto directo na selecção do fluido e no diâmetro das espirais, tendo ambos impactos no custo do expansor de espiral. Com muitos fluidos, a temperatura de condensação e a necessidade de uma expansão significativa que originam pressões de entrada da espiral muito elevadas (aumentando a potência de bombagem) ou condições muito críticas na entrada, resultam em dificuldades em termos de concepção, funcionamento e controlo do evaporador. Estas mesmas condições são motivo de preocupação quando se consideram outros fluidos naturais 13 (hidrocarbonetos). Por exemplo, enquanto o pentano, o butano e o propano foram todos considerados como fluidos de funcionamento orgânicos, os inventores determinaram que, entre os hidrocarbonetos naturais, o isopentano é aquele que oferece melhores propriedades de fluido para aplicações de micro-cogeração.

De acordo com outro aspecto da presente invenção, é divulgado um sistema de Cogeração configurado para funcionar com um fluido de funcionamento orgânico. 0 sistema inclui uma fonte de calor, um primeiro circuito configurado para transportar o fluido de funcionamento orgânico e um gerador que funciona acoplado a um expansor de espiral para produzir electricidade. 0 primeiro circuito inclui um expansor de espiral configurado para receber o fluido de funcionamento orgânico, um condensador em comunicação de fluidos com o expansor de espiral, e uma bomba configurada para fazer circular o fluido de funcionamento orgânico. 0 primeiro circuito está em comunicação térmica com a fonte de calor para que o calor daí transferido converta o fluido de funcionamento orgânico num vapor sobreaquecido.

De acordo com outro aspecto da presente invenção, é divulgada uma micro-cogeração accionada indirectamente, incluindo uma fonte de calor, circuitos primários e secundários de circulação de fluidos, e um permutador de calor inter-circuitos. A micro-cogeração accionada indirectamente é vantajosa em termos de manutenção e de flexibilidade do sistema. Os circuitos que circulam múltiplos fluidos são utilizados de modo a que a fonte de 14 calor (por exemplo, um queimador} seja fornecida a um circuito de circulação de fluidos secundário que está em comunicação térmica com, mas não isolado de fluidos, um circuito de circulação de fluidos primário. 0 circuito de circulação de fluidos secundário inclui tubagens que são utilizadas para transportar um fluido de permuta de calor. Preferencialmente, estas tubagens são de serpentina e de alheta para maximizar a transferência de calor entre a fonte de calor e o fluido de permuta de calor. É utilizada pelo menos uma bomba para fazer circular o fluido de permuta de calor. O circuito de circulação de fluidos secundário contém um conjunto paralelo de subcircuitos, um dos quais passa através de um permutador de calor de água de aquecimento ambiente para aquecer a água municipal, enquanto o outro passa através de um permutador de calor multi-circuitos como intermediário entre a fonte de calor e o fluido de funcionamento orgânico que flúi através do circuito de circulação de fluidos primário. Para além da passagem do fluido de funcionamento orgânico através do permutador de calor inter-circuitos, o circuito de circulação de fluidos primário inclui um expansor de espiral ligado a um gerador, um permutador de calor de água de aquecimento ambiente e uma bomba de circulação. Após a aplicação de calor, o fluido de funcionamento orgânico fica pré-aquecido, e depois é expandido no expansor de espiral para voltar ao gerador, produzindo assim energia eléctrica. A pressão mais baixa, o fluido de funcionamento orgânico mantém-se sobreaquecido e deixa o expansor de espiral entrar no permutador de calor da água de aquecimento ambiente, onde outro fluido, geralmente ar ou água, pode passar através e ser aquecido pelo fluido de funcionamento 15 orgânico. Este fluido de aquecimento ambiente é depois transferido para radiadores ou dispositivos de aquecimento ambiente similares no interior de uma habitação. A bomba de circulação devolve o fluido de funcionamento orgânico ao permutador de calor .inter-circuitos, onde o processo pode ser repetido.

Opcionalmente, pode ser colocado um dispositivo de pré-aquecimento para o circuito de água de aquecimento ambiente em comunicação de permuta de calor com o segundo circuito de circulação de fluidos para poder ser produzida água de aquecimento ambiente adicional. Além disso, tal como no aspecto anterior, a fonte de calor pode incluir um queimador colocado no interior de um reservatório do tipo câmara de combustão. O reservatório pode incluir uma conduta de exaustão, um ventilador de exaustão e um permutador de calor do gás de escape colocados adjacentes à conduta de exaustão. 0 permutador de calor do gás de escape pode ainda incluir um dispositivo de recirculação do gás de escape para melhorar a transferência de calor de gás de escape. 0 calor residual que, de outro modo, seria expelido para conduta e para a atmosfera, pode ser recolhido e reencaminhado para outras partes no interior do sistema. Por exemplo, o permutador de calor do gás de escape pode ser integrado no primeiro subcircuito do segundo circuito de circulação de fluidos de modo a fornecer um aquecimento adicional ao permutador de calor de água quente doméstica.

Ainda de acordo com outro aspecto da presente invenção, é divulgado um sistema de Cogeração accionado directamente, configurado para fazer circular um fluido de funcionamento 16 orgânico. A micro-cogeração accionada directamente é vantajosa em termos de custo e simplicidade do sistema. 0 sistema inclui um circuito de tubagem que define uma linha de circulação do fluido de funcionamento orgânico, um fluido de funcionamento orgânico colocado no circuito de tubagem, um queimador em comunicação térmica com o evaporador para que o calor seja transferido para o evaporador sobreaqueça o fluido de funcionamento orgânico, um expansor de espiral colocado na linha de circulação do fluido de funcionamento orgânico para que o fluido de funcionamento orgânico sobreaquecido que passa através do expansor de espiral se mantenha sobreaquecido depois de ser descarregado do expansor de espiral, um gerador que funciona para dar resposta ao expansor de espiral na produção de electricidade, um condensador e uma bomba colocada na linha de circulação do fluido de funcionamento orgânico entre o condensador e o evaporador. O condensador compreende um circuito primário colocado na linha de fluxo do fluido de funcionamento orgânico de modo a que o circuito primário esteja em comunicação térmica com o expansor de espiral, e um circuito secundário na relação de permuta de calor com o circuito primário, em que o circuito primário é configurado para transferir pelo menos um parte do calor contido no fluido de funcionamento orgânico que passa através do circuito primário para um circuito externo como, por exemplo, um dispositivo de aquecimento ambiente.

Opcionalmente, o sistema de micro-cogeração accionado directamente, inclui um controlador, válvulas, câmara de combustão e dispositivos de exaustão semelhantes aos dos aspectos anteriores. Tal como nos aspectos anteriores, o 17 fluido de funcionamento orgânico é preferencialmente um hidrocarboneto natural (tal como o isopentane) ou um refrigerante halocarbonado, tal como o R-245fa. Além disso, a fonte de calor, que pode ser um queimador, pode ser sobredimensionada para fornecer calor adicional em variantes do sistema que não utilizem um reservatório de armazenamento para fins de água quente doméstica. Nesta situação, o queimador pode ser de maior dimensão ou ser um dispositivo multi-fase de modo a que cada fase seja dedicada a uma parte específica dos circuitos de aquecimento externos, tais como circuitos de água de aquecimento ambiente ou de água quente doméstica. Para além disso, os circuitos de aquecimento externos podem ser acoplados ao sistema de Cogeração a partir de uma única ligação no condensador de maneira a que os percursos bifurcados correspondam aos circuitos de água de aquecimento ambiente e de água quente doméstica possam ser ambos instalados.

Ainda de acordo com outro aspecto da presente invenção, é divulgado um sistema de micro-cogeração. O sistema de micro-cogeração inclui um circuito gerador de electricidade e uma ligação a um circuito de aquecimento externo, 0 circuito gerador de electricidade inclui um queimador que aumenta a temperatura do fluido de funcionamento orgânico de modo a que o fluido de funcionamento orgânico fique sobreaquecido, um expansor de espiral para receber o vapor sobreaquecido para que o fluido de trabalho se mantenha num estado sobreaquecido depois de passar através dele, um gerador que funciona acoplado ao expansor de espiral para produzir electricidade, um condensador colocado em 18 comunicação de fluido com um expansor de espiral e uma bomba para fazer circular o fluido de funcionamento orgânico, A ligação é disposta no condensador e configurada de modo a colocar o circuito de aquecimento externo em comunicação térmica com o condensador. Este circuito de aquecimento externo pode ser um circuito de água de aquecimento ambiente ou de água quente doméstica, ou ambos. Tal como nos aspectos anteriores da presente invenção, podem ser incorporado um controlador, uma câmara de combustão e os respectivos acessórios.

De acordo com um aspecto adicional da presente invenção, é divulgado um sistema para produção de água quente para uso doméstico, calor e electricidade ambiente a partir de um ciclo do tipo Rankine com um fluido de funcionamento orgânico. 0 sistema inclui principalmente uma linha de fluido em circuito fechado configurada para transportar o fluido de funcionamento orgânico, um queimador configurado para fornecer o calor suficiente para pré-aquecer o fluido de funcionamento orgânico, e um controlador para regular o funcionamento do sistema. A linha do fluido de circuito fechado é pelo menos parcialmente definida por uma conduta de serpentina para actuar como elemento de transferência de calor para o fluido de funcionamento orgânico, e inclui como componentes um expansor de espiral, um gerador e uma bomba. 0 termo "tubo" pode ser usado alternadamente com "conduta", uma vez que ambos descrevem um recipiente de ocos fechados para transporte de líquidos. 0 queimador está em comunicação térmica com o tubo de serpentina da linha do fluido de circuito fechado, 0 expansor em espiral é configurado para receber o fluido de funcionamento orgânico 19 sobreaquecido. 0 condensador é configurado para extrair pelo menos uma parte do calor remanescente do fluido de funcionamento orgânico depois do fluido de funcionamento orgânico passar através do expansor de espiral, A bomba pressuriza e faz circular o fluido de funcionamento orgânico.

Ainda de acordo com um aspecto adicional da presente invenção, é divulgado um sistema de Cogeração accionado indirectamente, que inclui uma fonte de calor, um elemento de transferência de calor passivo, um primeiro circuito e um segundo circuito. O primeiro primário é configurado para transportar um fluido de funcionamento orgânico e é colocado adjacente a uma extremidade do elemento de transferência de calor passivo de modo a que o calor transferido a partir do elemento de transferência do calor passivo aumente o teor de energia do fluido de funcionamento orgânico. 0 primeiro circuito inclui um expansor de espiral configurado para receber o fluido de funcionamento orgânico, um condensador em comunicação de fluidos com o expansor de espiral e uma bomba configurada para circular o fluido de funcionamento orgânico. 0 condensador é configurado para transferir pelo menos uma parte do calor em excesso contido no fluido de funcionamento orgânico de um circuito de aquecimento externo. Como nos aspectos anteriores, o gerador é acoplado ao expansor de espiral para produzir electrícidade em resposta ao movimento por este transmitido a partir da espiral. 0 segundo circuito é configurado para transportar um fluido de permuta de calor através desse circuito, e é colocado adjacente a uma extremidade do elemento de 20 transferência do calor passivo de modo a que o calor daí transferido aumente o teor de energia do fluido de permuta de calor, O circuito secundário é constituído pelo menos por uma câmara de combustão colocada adjacente à fonte de aquecimento de modo a que o gás de escape possa ser removido. Os pormenores relativos à câmara de combustão são idênticos aos discutidos em conjunto com os aspectos anteriores, com excepção de uma extremidade do elemento de transferência de calor passivo (que, de preferência, é um tubo de calor) que é colocada no interior da câmara de combustão para que a extremidade absorva calor a partir da fonte de calor.

Ainda de acordo com outro aspecto da presente invenção, é divulgado um sistema de Cogeração que inclui uma fonte de calor, um elemento de transferência do calor passivo em comunicação térmica com a fonte de calor e um primeiro circuito. 0 primeiro circuito é configurado para transportar um fluido de funcionamento orgânico e colocado adjacente a uma extremidade do elemento de transferência do calor passivo para que o calor transferido do elemento de transferência do calor passivo sobreaqueça o fluido de funcionamento orgânico, O primeiro circuito é constituído pelo menos por um expansor de espiral configurado para receber o fluido de funcionamento orgânico, um condensador em comunicação de fluido com o expansor de espiral e uma bomba configurada para fazer circular o fluido de funcionamento orgânico. Um gerador é acoplado ao expansor de espiral para gerar electricidade em resposta à expansão do fluido de funcionamento orgânico no expansor de espiral. O condensador é configurado para transferir pelo menos uma 21 parte do calor em excesso contido no fluido de funcionamento orgânico de um circuito de aquecimento externo. Tal como no aspecto anterior, o elemento de transferência do calor passivo é preferencialmente um tubo de calor e a sua integração na câmara de combustão é idêntica.

De acordo com outro aspecto da presente invenção, é divulgado um método de produção de calor e energia eléctrica a partir de um dispositivo de cogeração. 0 método inclui as fases de configuração de um primeiro circuito para transportar um fluido de funcionamento orgânico, sobreaquecer o fluido de funcionamento orgânico com uma fonte de calor que está em comunicação térmica com o primeiro circuito, expandir o fluido de funcionamento orgânico sobreaquecido num expansor de espiral, ligar um gerador que é acoplado ao expansor de espiral para gerar electricidade, arrefecer o fluido de funcionamento orgânico num condensador de modo a que pelo menos uma parte do calor no fluido de funcionamento orgânico que passa através do condensador seja transferido para um circuito de aquecimento externo que utilize pelo menos uma parte do calor que foi transferido para o circuito de aquecimento externo para fornecer calor ambiente, devolver o fluido de funcionamento orgânico existente no condensador para uma posição no primeiro circuito para que este receba a entrada de calor adicional a partir da fonte de calor.

Opcionalmente, o método inclui manter o fluido de funcionamento orgânico num estado sobreaquecido através da fase de expansão. Como fase adicional, o método pode 22 utilizar selectivamente pelo menos uma parte do calor que foi transferido para o circuito de aquecimento externo para aquecer um circuito de água quente doméstica. Pode ser utilizado um conjunto de fases alternativo para configurar um segundo circuito para transportar o fluido de permuta de calor para um circuito de água de aquecimento ambiente, em que este último circuito é desacoplado do circuito de água quente doméstica que está acoplado termicamente ao condensador. O segundo circuito é definido por uma linha de fluxo do circuito de tubagens que está em comunicação térmica com a fonte de calor. 0 segundo circuito está em comunicação de permuta de calor com pelo menos um circuito de água quente doméstica como, por exemplo, um permutador de calor ou um reservatório de armazenamento de água. 0 segundo circuito é configurado de maneira a que pelo menos uma parte do calor que foi transferida para o fluido de permuta de calor aqueça um fluido (p.ex., água) no circuito de água quente doméstica. De preferência, o fluido de funcionamento orgânico é sobreaquecido aproximadamente de 10 a 30 graus Fahrenheit acima do seu ponto de ebulição na fase de sobreaquecimento, e é pressurizado a uma pressão máxima de cerca de 1,38 - 3,10 MPa (200 a 450 libras por polegada quadrada) na fase de retorno (bombagem). Além disso, a fase de sobreaquecimento produz uma temperatura máxima entre cerca de 121 - 177 °C (250-350 graus Fahrenheit) no fluido de funcionamento orgânico. Para além disso, a fase de expansão é conduzida de modo a que saída eléctrica do gerador seja até 10 quilowatts, enquanto a fase de arrefecimento é realizada de modo a que a saída térmica transferida para o circuito de aquecimento externo seja até 60 quilowatts. A fonte de calor pode accionar 23 directa ou directamente o fluido de funcionamento orgânico. Uma fase adicional pode ainda incluir o funcionamento de um conjunto de válvulas configurado para permitir que o fluido de funcionamento orgânico ultrapasse o expansor de espiral, os picos de arranque ou picos de fecho.

De acordo com outro aspecto da presente invenção, é divulgado um sistema para produção de electricidade e aquecimento ambiente através da expansão de um fluido de funcionamento orgânico num estado sobreaquecido. O sistema compreende um fluido de funcionamento orgânico, uma linha de fluxo configurada para transportar o fluido de funcionamento orgânico, uma câmara de combustão colocada no percurso do fluxo, um expansor de espiral colocado no percurso do fluxo para receber a descarga do fluído de funcionamento orgânico no estado sobreaquecido, um gerador que opera acoplado ao expansor de espiral para produzir electricidade, um condensador em comunicação de fluido com o expansor de espiral, e uma bomba para fazer circular o fluido de funcionamento orgânico através da linha de fluxo. A câmara de combustão inclui um queimador, um elemento de transferência de calor adaptado para transportar o fluido de funcionamento orgânico adjacente ao queimador, e uma conduta de exaustão para transportar os produtos de combustão produzidos pelo queimador para a atmosfera. Tal como nos aspectos anteriores, pode ser utilizado um acoplamento entre o condensador e um circuito de aquecimento externo para realizar a permuta de calor com o circuito de água de aquecimento ambiente. Além disso, podem ser utilizados dispositivos de regulação do sistema, tais como um controlador, interruptores e válvulas, como 24 dispositivos de permuta de calor adicionais para ligação à conduta de exaustão ou ao condensador, também discutidos em conjunto com os aspectos anteriores. A seguinte descrição detalhada das configurações preferidas da presente invenção podem ser compreendidas melhor quando lidas em conjunto com os desenhos abaixo, sendo a respectiva estrutura indicada com os seus números de referência, em que: FIG.l mostra um diagrama esquemático de um sistema de micro-cogeração integrado de acordo com uma incorporação da presente invenção mostrando uma configuração accionada directamente com um reservatório de armazenamento e capacidade de água de aquecimento ambiente e água quente doméstica; FIG.2 mostra um diagrama esquemático de um sistema de cogeração integrado mostrando uma configuração accionada indirectamente sem reservatório de armazenamento e capacidade de água de aquecimento ambiente e água quente doméstica; FIG.3 mostra um diagrama esquemático de um sistema de cogeração integrado mostrando uma configuração accionada directamente sem reservatório de armazenamento e capacidade de água de aquecimento ambiente e água quente doméstica; FIG.4 mostra um diagrama esquemático de um sistema de cogeração integrado mostrando uma configuração accionada directamente com um reservatório de armazenamento e capacidade de água de aquecimento 25 ambiente e água quente doméstica; FIG.5 mostra um diagrama esquemático de um sistema de cogeração integrado mostrando uma configuração accionada directamente sem reservatório de armazenamento e capacidade de água de aquecimento ambiente; FIG.6 mostra a integração de um tubo de calor numa incorporação accionada indirectamente da presente invenção, realçando ainda um permutador de calor comum para água de aquecimento ambiente e água quente doméstica; FIG„7 mostra a integração de um tubo de calor numa incorporação accionada directamente da presente invenção, realçando ainda um permutador de calor comum para água de aquecimento ambiente e água quente doméstica; e FIG.8 mostra os pormenores de um permutador de calor de gás de escape, incluindo os pormenores de um dispositivo de recirculação do gás de exaustão.

Fazendo referência inicialmente à FIG. 1, uma incorporação do sistema de micro-cogeração 1 é um sistema de circuito duplo aquecido indirectamente que inclui um primeiro (ou primário) circuito 100 e um segundo circuito 105, Uma vantagem do sistema accionado indirectamente é evitar o sobreaquecimento da conduta da caldeira do primeiro circuito (ou evaporador) e subsequente sobreaquecimento. 0 primeiro circuito 100 inclui um expansor 101, um condensador 102, uma bomba 103 e uma parte do permutador de calor inter-circuitos 104. Um fluido de 26 funcionamento orgânico (p.ex., hidrocarbonetos naturais ou refrigerantes halocarbonados, não apresentados) circula através do circuito definido por um expansor ligado ao fluido 101, condensador 102, uma bomba 103 e um permutador de calor inter-circuitos 104, A tubagem 110 é utilizada para ligar os vários componentes do primeiro circuito 100, em que a bomba 103 dá a pressão para fornecer o fluido de funcionamento orgânico ao permutador de calor inter-circuitos 104, enchendo assim o primeiro circuito 100. Um gerador 105 (de preferência do tipo indução) é acoplado ao expansor 101 de modo a que o movimento por este transmitido ao expansor 101 gere electricidade. Enquanto o expansor 101 pode ser de qualquer tipo, é preferível que seja um dispositivo de espiral. O expansor de espiral pode ser um dispositivo de espiral convencional, conforme é conhecido na arte. É utilizada uma bomba de óleo 108 para fornecer lubrificante à espiral. A existência de óleo ajuda a estabelecer uma vedação entre o enrolamento de espirais estacionárias e o enrolamento de espirais orbitais, que constituem as câmaras de espiral de forma crescente (não mostrado)„ Um interruptor indicador de nível 120, com indicadores de nível alto 120A e de nível baixo 120B, é colocado na descarga do condensador 103. O controlador 130 é utilizado para monitorizar o funcionamento do sistema. Monitoriza parâmetros tais como as temperaturas do fluido de funcionamento orgânico nos diversos pontos do primeiro circuito e as informações dos níveis obtidos a partir do interruptor indicador de nível 120, Através de um programa adequado, pode ser usado para abrir e fechar válvulas (não aqui mostrado) mediante condições pré-determinadas como, por exemplo, uma falha da rede eléctrica. O gerador 105 é 27 preferencialmente um dispositivo assíncrono, promovendo assim um operação simples e de baixo custo do sistema 1, uma vez que não são necessários controlos de velocidade do gerador complexos e as respectivas interligações de rede. Um gerador assíncrono fornece sempre a potência máxima possível sem controlos, porque os seus requisitos de binário aumentam rapidamente quando o gerador 105 excede a frequência do sistema. O gerador 105 pode ser desenhado para fornecer uma tensão comercial, 50 ou 60 Hz, enquanto permanece muito próximo (frequentemente 105 ou menos rotações por minuto (rpm)) da velocidade síncrona (3000 ou 3600 rpm).

Um circuito de aquecimento externo 140 (mostrado preferentemente como um circuito de água de aquecimento ambiente) pode ser acoplado ao primeiro circuito 100 através de conectores (não mostrados) no condensador 102. Como opção, pode ser introduzida uma serpentina de pré-aquecimento 145 no circuito de aquecimento externo 140 para que o fluido hidrónico (normalmente água) que aí flúi possa receber um aumento de temperatura adicional devido à sua relação de permuta de calor com o fluido de permuta de calor que flúi através do segundo circuito 105 (discutido mais pormenorizadamente a seguir). O fluido hidrónico que passa através do circuito de aquecimento externo 140 é colocado em circulação por meio de uma bomba convencional 141, e é fornecido como fluido de aquecimento ambiente através de um radiador 148 ou dispositivo similar. Como exemplo, o fluido hidrónico poderá sair do condensador 102 a cerca de 500° Celsius e retornar ao condensador a uma temperatura tão baixa quanto 300° Celsius. A capacidade do 28 sistema 1 é até 60kWt; contudo, é no âmbito da presente invenção que poderão ser utilizadas unidades com maior ou menor capacidade, se necessário. Inerente a um sistema de micro-cogeração é a capacidade de fornecer calor além de electricidade- 0 calor em excesso, tanto da fonte de calor como do fluido de funcionamento orgânico, pode ser transferido para circuitos de água de aquecimento ambiente e água quente doméstica externos. A natureza do processo de permuta de calor é preferível através de permutadores de calor de contra-corrente (para cada circuito de água de aquecimento ambiente ou de água quente doméstica, ou ambos), ou através de um reservatório de armazenamento de água quente convencional (para um circuito de água quente doméstica) . Será avaliado por quem conhece a arte, porquanto as incorporações representadas nas figuras mostram permutadores de calor de água de aquecimento ambiente e de água quente doméstica em paralelo (sendo em algumas situações fornecidas a partir do mesmo equipamento de permuta de calor, apresentado mais tarde), é dentro do espirito da presente divulgação que poderão ser utilizadas as configurações de permuta de calor em série ou sequenciais. 0 segundo circuito 105 inclui dois subcircuitos paralelos 105A, 105B. 0 calor para os dois subcircuito paralelos 105A, 105B é fornecido por um queimador 151, o qual é fornecido com combustível por um trem de gás 152 e uma válvula de variação de fluxo de gás 153. Uma tubagem 160 (que forma os subcircuitos paralelos) que passa através de uma câmara de combustão 154, que é onde o calor proveniente da combustão de combustível no queimador 151 é 29 desviado para o fluido de permuta de calor (não mostrado) que flúi através da tubagem 160. Ά tubagem 160, que inclui um secção de tubo de aletas 161 colocado no interior da câmara de combustão 154, bifurca-se no primeiro subcircuito paralelo 105A, que transporta o fluido de permuta de calor que foi aquecido na câmara de combustão 154 para o permutador de calor inter-circuitos 104 de modo a desviar o calor ao fluido de funcionamento orgânico que flúi através do primeiro circuito 100. Poderão ser utilizadas válvulas de bloco (não mostradas) para regular o fluxo entre os subcircuitos; no entanto, colocando a bomba do subcircuito inactivo ao ralenti, evita-se um fluxo significativo nesse subcircuito sem necessidade de válvulas adicionais. O segundo subcircuito paralelo 105B transporta o fluido de permuta de calor para o permutador de água quente doméstica 180 para aquecer a água quente doméstica. Uma parte lateral do permutador de calor de água quente doméstica 180 (que pode ser um reservatório de armazenamento de água) inclui uma serpentina 180A configurada para transportar o fluido de permuta de calor, e a outra parte, a estrutura 180B, para transportar a água quente doméstica (não mostrada) a partir de uma entrada de água fria 191A, serpentina 180Ά e para a saída da água de aquecimento ambiente 191B. Em geral, a água fria provém de um furo ou de um abastecimento de água municipal. Do mesmo modo, o sensor de temperatura 171B pode detectar a temperatura da água quente doméstica que provém do permutador de calor de água quente doméstica 180. Este sensor também pode estar ligado a um controlador 130 (discutido abaixo mais pormenorizadamente), A câmara de combustão 154 inclui uma conduta de exaustão 155, um dispositivo de recirculação de gás de escape 156 com 30 permutador de calor de conduta de exaustão 157 e um ventilador 158, Será considerado pelos profissionais da arte que, embora o ventilador 158 que é mostrado como preferência seja um ventilador de corrente induzida, poderá também ser um ventilador de corrente forçada, se adequadamente localizado na câmara de combustão 154. O sensor de temperatura 171A é colocado na salda da câmara de combustão 154 para o segundo circuito 105, para medir as condições de temperatura do fluido de permuta de calor de uma maneira semelhante à do sensor de temperatura 171B. As bombas 185A, 185B do segundo circuito são utilizadas para fazer circular o fluido de permuta de calor através do segundo circuito 105, com a bomba 185B que faz circular o fluido de permuta de calor através do permutador de água quente doméstica 180 e da bomba 185A que faz circular o fluido de permuta de calor através do permutador de calor inter-circuitos 104. 0 permutador de calor da conduta de exaustão 157 e um dispositivo de recirculação de gás de escape (EGR) 156 aceita o gás de escape proveniente do queimador 151 e recircula-o no processo de permutação de calor interno, fazendo assim baixar a temperatura do gás de escape que é puxado e ventilado para a atmosfera através do ventilador 158, O calor desviado pelo gás de escape no permutador de calor de gás de escape 157 é utilizado para fornecer calor adicional às outras partes do sistema 1. Na presente figura, este calor adicional é utilizado para aumentar a temperatura do fluido de permuta de calor que flúi no segundo circuito 105.

[0029] Um controlador 130, que poderá ser um controlador lógico programável (PLC) ou um microcomputador convencional (não mostrado), pode ser utilizado para controlo detalhado 31 do sistema. Todas as bombas podem ser configuradas para velocidade variável, e respondem aos sinais de entrada do controlador 130. Mediante a recepção de um sinal de calor, o queimador 151 inflama o combustível, enquanto a respectiva bomba de circulação 185B ou 185A é activada. Para água quente doméstica, o interruptor de fluxo 190, em conjunto com o sensor de temperatura 171A, fornece os sinais de entrada ao controlador 130. O interruptor de fluxo 190 selecciona o modo de água quente doméstica, em que o ponto de definição de água quente doméstica é acoplado ao sensor de temperatura 171A. O fluxo de gás do queimador e a bomba de água quente doméstica 185B são

regulados para fornecer a temperatura desejada a 171B consoante a temperatura predefinida pelo utilizador no termostato de água quente doméstica (não mostrado).

Quando o sistema está em funcionamento, o fluido de permuta de calor aquecido passa para o sensor anterior 171A, o qual tem capacidade para fornecer um sinal válido ao controlador 130 e, deste modo, a taxa de queima do queimador 151 e do fluxo da bomba 185B podem ser ajustadas para um funcionamento em segurança e saída necessária. No entanto, quando o sistema está a arrancar, deve ser dado algum tempo inicial ao controlador 130, que pode ser utilizado como condição para um funcionamento seguro, tempo que o fluido de permuta de calor levará a passar no sensor de temperatura 171A. É aconselhável ter uma quantidade mínima de fluido de permuta de calor a fluir durante o arranque para que o fluido aqueça o mais rapidamente possível. Contudo, é necessário algum fluxo para evitar o sobreaquecimento local do fluido na câmara de combustão 32 154, e para dar ao controlador 130 uma indicação de que o queimador 151 está efectivamente a queimar. A taxa de gás é definida no sentido de proporcionar o maior tempo de funcionamento possível ao sistema consoante a medição da temperatura exterior e de variação da temperatura interior. A bomba 185B funciona para manter a câmara de combustão 154 abastecida com o fluido de permuta de calor no valor predefinido de fábrica para a temperatura do sensor 171A. Quando o sensor de temperatura 171A atinge cerca de 50% do ponto de definição do termostato, a velocidade da bomba 185B é aumentada até a leitura da temperatura no sensor de temperatura 171A atingir o seu ponto de definição, altura em que o queimador 151 e a bomba 185B modulam para os valores constante dos sensores de temperatura 171A e 171B. Quando o interruptor de fluxo 190 indicar fluxo zero, o queimador 151 e a bomba 185B deixam de funcionar. Pode ser colocado um pequeno reservatório de expansão (não mostrado) no segundo circuito 105 para permitir a expansão térmica diferencial a pressões moderadamente elevados do fluido de permuta de calor.

Quando o utilizador pretender calor, conforme indicado pelo termostato da sala (não mostrado) , o queimador 151 atinge cerca de 50% da sua capacidade para aquecer o sistema 1. A bomba 85A atinge uma velocidade predefinida para coincidir com os requisitos de fluxo estabelecidos pela taxa inicial de queima do queimador e os requisitos de concepção do sistema. O controlador 130 responde ao pedido de calor do utilizador e ao ponte de definição seleccionado pelo proprietário para temperatura de sala. O accionamento do queimador 151 e o fluxo da bomba 185A são controlados em 33 parte, e normalmente pela temperatura da sala e respectivo ponto de definição, bem como pela temperatura exterior (sensor não mostrado)- A bomba do primeiro circuito 103 funciona suficientemente rápido para manter o nivel do fluido de funcionamento orgânico entre as definições do interruptor de nivel baixo 120B e de nivel alto 120A. O controlador 130 dá instruções à bomba 103 para arrancar ou acelerar quando o nivel do fluido de funcionamento orgânico subir acima do nível 120A, e para parar quando descer abaixo do nivel 120B, por exemplo. O comprimento da parte do tubo de alheta 161 da tubagem 160 que está no interior do combustor 154 pode ser minimizado seleccionando cuidadosamente as pontas, os pontos de controlo e a dimensão da conduta. Com referência à FIG, 8 em conjunto com a FIG. 1, são mostrados os pormenores do dispositivo de recirculação de gás de escape 156 para o sistema de micro-cogeração. Na essência, as funções do dispositivo de recirculação de gás de escape 156 em conjunto com a conduta de exaustão 155 são parte integrante do permutador de calor de gás de escape 157. O fluxo de gás de escape quente é dirigido axialmente para o dispositivo de recirculação de gás de escape 156, que pxeferencialmente é colocado entre o queimador 151 e a conduta de exaustão 155. Uma conduta de recirculação anular 156B passa algum do gás de escape em contra-corrente até ser reinjectado na entrada 156A. As paredes do dispositivo de recirculação de gás de escape 156 são arrefecidas pelo fluido de permuta de calor que passa através do permutador de calor da conduta 157, e em resultado disso, o gás de recirculação que entra no plano de entrada 156A é 34 parcialmente arrefecido. Este fluxo de gás temperado que sai do plano 156B entra na segunda secção de transferência de calor definida pela parte do tubo de alheta 161 da tubagem do segundo circuito (não aqui mostrado), onde ocorre o arrefecimento do gás. Numa configuração mais compacta, a conduta anular interior do dispositivo de recirculação de gás de escape 156 seria recolocada por um conjunto de tubos de alheta (não mostrado) , cada um tendo um indutor de fluxo para gás quente na extremidade de entrada. Enquanto esta abordagem implicaria a utilização de uma grande quantidade de fluido, que aumentaria o tempo de resposta do sistema, poderão ser retiradas vantagens significativas, incluindo a aplicação do dispositivo de recirculação de gás de escape 156 para um evaporador onde um fluido de funcionamento orgânico é usado para que o fluido nunca fique exposto à temperatura total do gás de escape, e a recuperação do calor final não reduzisse de forma alguma a diluição do gás de combustão, especialmente o ar de arrefecimento. A principal vantagem do dispositivo de recirculação de gás de escape 156 é os níveis de subprodutos gasosos prejudiciais (tais como NOx) serem reduzidos. Uma vantagem adicional do dispositivo de recirculação de gás de escape é que ao reduzir a temperatura mais elevada a que o tubo de alheta 161 está exposto, podem ser utilizados componentes mais simples que terão custos mais baixos e o mesmo tempo de vida de materiais mais dispendiosos.

Com referência à FIG. 2, é mostrada uma incorporação alternativa do sistema de micro-cogeraçâo 2 accionado indirectamente. Neste caso, o segundo circuito 250 não 35 inclui os subcircuitos paralelos. Em vez disso, tem um circuito simples que é encaminhado directamente a partir da câmara de combustão 254 para o permutador de calor inter-circuitos 204. A capacidade da água quente doméstica, que foi fornecida pelo segundo subcircuito 105B na incorporação mostrada na FIG. 1, é agora integrada no circuito de aquecimento externo 240. Este circuito externo, que serve a água quente doméstica e a água de aquecimento ambiente, pode ser bifurcado após o seu acoplamento ao condensador 202, com as válvulas 247A, 247 B que funcionam para fornecer os radiadores de água de aquecimento ambiente 248 ou o permutador de calor de água quente doméstica 280, quando necessário. O permutador de calor de água quente doméstica 280 pode ser um reservatório de água para armazenar água quente (conforme discutido em conjunto com o aspecto anterior), ou um dispositivo de permuta de calor em contra-corrente de passagem dupla. Depois do fluido (normalmente água) passar através dos permutadores de calor de água de aquecimento ambiente e de água quente doméstica, circula através do circuito de aquecimento 240 e retorna ao condensador 202 para iniciar o seu ciclo novamente. Antes de entrar no condensador 202, o fluido pode ser pré-aquecido passando-o termicamente no segundo circuito adjacente 250 num dispositivo térmico 245.

Com referência às FIGS. 3 e 4, é mostrado um sistema de micro-cogeração accionado directamente. Este sistema tem a vantagem de ser mais simples em construção e com custos de assistência mais baixos. Na presente incorporação, o sistema 3 não inclui um segundo circuito. O permutador de calor inter-circuitos das anteriores incorporações, que 36 actuavam como fonte de calor para os primeiros circuitos da incorporação anterior, é substituído por uma câmara de combustão 304, onde tem lugar a queima de combustível, através do trem de gás 352, a válvula 353, o queimador 351 e a evaporação do fluido de funcionamento orgânico. Tal como nas incorporações anteriores, o fluido de funcionamento orgânico é sobreaquecido. O gerador 305, tal como nas incorporações anteriores, está ligado assincronamente a uma carga, de preferência no lado do cliente/utilizador do contador eléctrico, que geralmente é a rede eléctrica. A carga no expansor de espiral 301 imposta pela rede assegura que as velocidades mecânicas no expansor de espiral 301 são mantidas dentro dos seus limites estruturais. A válvula de bloco 307A e a válvula de passagem 207B estão situadas na linha de fluxo do fluido de funcionamento orgânico definida pela tubagem 310 {da qual faz parte a conduta 361). Estas válvulas respondem a um sinal do controlador 330 que indicará se não existe carga (tal como uma falha da rede ) no sistema, permitindo que o vapor sobreaquecido circule em volta do expansor, evitando assim a velocidade excessiva da espiral. Nestas condições, o vapor sobreaquecido reencaminhado é alimentado na entrada do condensador 302. Em condições de funcionamento normais, em que houver uma carga no sistema, o vapor sobreaquecido entra no expansor de espiral 301, provocando o movimento do enrolamento de espiral orbital não-tangencial para enrolamento de espiral fixo tangencial. Dado que o vapor de sobreaquecimento se expande através de câmaras em forma crescente de aumento de volume, o movimento que induz no circuito orbital é transferido para o gerador 305 através de um veio acoplado ou uma combinação integral de 37 rotor/estator no expansor de espiral 301. Dependendo do tipo de óleo utilizado no sistema (ou seja, se o óleo for miscível ou não imiscivel no fluido de funcionamento orgânico), o expansor de espiral 301 pode preferentemente incluir uma bomba de óleo 308 para fazer circular o óleo existente no expansor de espiral a partir do vapor sobreaquecido. O funcionamento da conduta de exaustão 355 e do ventilador 358 é semelhante ao do aspecto anterior; contudo, o actual dispositivo de recirculação de gás de escape 356 e o permutador da conduta de exaustão 35 7, em vez de fornecerem calor adicional a um fluido de permuta de calor através do segundo circuito 105, 250 das incorporações anteriores, podem ser utilizados para fornecerem calor a vários locais dentro do sistema 3. Por exemplo, o calor adicional pode ser acrescentado ao fluido de funcionamento orgânico que sai da bomba 385, mostrado no ponto A. De mesmo modo, pode ser utilizado para acrescentar calor ao circuito de aquecimento externo 340 nos pontos B ou C, O local exacto dos pontos de permuta de calor A, B ou C seria determinado pela natureza do fluido de funcionamento orgânico e respectivas propriedades. De notar que o permutador de calor de água quente doméstica 380 pode ser configurado como um permutador de calor de contra-corrente de passagem dupla ou como um reservatório de armazenamento de água, conforme discutido nos aspectos anteriores. Nas situações em que não for utilizado um reservatório (ou um pequeno) de armazenamento (por exemplo, quando o espaço é um requisito primordial), neste caso para dar uma resposta rápida à procura de água quente doméstica, pode ser necessária a geração de calor adicional. Uma abordagem é utilizar um queimador multi-fase ou de maior 38 dimensão (não mostrado). Isto poderá proporcionar tempos de resposta mais rápidos a procuras instantâneas ou quase-instântaneas associadas a utilizações de água quente doméstica (tais como, chuveiros, banheiras e torneiras). Com referência especificamente à FIG. 4, é mostrada uma variante de um sistema de micro-cogeração accionado directamente da FIG. 3. Neste caso, o sistema 4 inclui especificamente um reservatório de armazenamento 480. Esta abordagem permite a inclusão da capacidade de água quente doméstica sem necessidade de recurso a um aumento de capacidade do queimador. Além disso, a alimentação eléctrica a um elemento de aquecimento do reservatório de armazenamento 480C pode ser fornecida directamente a partir do gerador 405. Para além disso, a relação entre a dimensão do reservatório de armazenamento 480 e a dimensão ou o número de queimadores 4 51 pode ser feita de acordo com o que melhor se adaptar aos requisitos de funcionalidade e volume/embalagem do sistema.

Com referência agora à FIG. 5 é mostrado um sistema de micro-cogeração 5 accionado directamente. Este representa o sistema maís simples na medida em que se destina exclusivamente à produção de electricidade e de água de aquecimento ambiente. Ao não incluir a capacidade de água quente doméstica, pode ser dispensado um reservatório de armazenamento sem sacrificar a funcionalidade do sistema ou haver necessidade de uma maior capacidade do queimador. Noutros aspectos, este sistema é semelhante ao das anteriores incorporações accionadas directamente, incluindo o funcionamento do conjunto de componentes 551, 552 e 553, do conjunto de componentes 555, 556, 557 e 558, do conjunto 39 de componentes do percurso de fluxo do fluido de funcionamento orgânico 501, 502, 503, 504, 507A,B e 508, do gerador 505, dos sensores e dos equipamentos de controlo 520, 530.

Com referência às FIGS. 6 e 7 é mostrada uma variante dos aspectos anteriores dos sistemas de cogeração accionados directamente e accionados indirectamente. Com referência especificamente à FIG. 6, pode ser colocado um elemento de transferência de calor passivo, de preferência sob a forma de tubo de calor 675, entre o primeiro circuito 600 e o segundo circuito 650 para efectuar a permuta de calor entre estes circuitos e a fonte de calor. Com referência especif icamente à FIG. 7, tubo de calor 775, este é colocado no interior da linha de fluxo do primeiro circuito, que também inclui o expansor de espiral 701, o condensador 702 e a bomba 703. Em qualquer configuração, o tubo de calor é um recipiente vedado que contém uma pequena quantidade de fluido de funcionamento como, por exemplo, água ou metanol. Quando uma das extremidades do tubo (geralmente referida como extremidade do evaporador) é aquecida, o fluido de funcionamento vaporiza rapidamente devido, em parte, à baixa pressão interna do fluido. O vapor circula na extremidade oposta à pressão mais baixa (geralmente referida como a extremidade do condensador) desviando o seu calor latente. De preferência, a acção da gravidade ou capilaridade permite que o fluido condensado volte à extremidade do evaporador, na qual o ciclo pode ser repetido. Quando o fluido tem um grande calor de vaporização, pode ser transferida uma quantidade de calor significativa, mesmo quando as diferenças de temperatura 40 entre as extremidades opostas não são grandes. Nos outros aspectos, o funcionamento dos sistemas é semelhante ao dos aspectos anteriores.

Com referência à FIG. 8 são mostrados os pormenores do permutador de calor da conduta de exaustão 157 e do dispositivo de recírculaçâo do gás de escape 156. A câmara de combustão 154 {aqui não desenhada à escala) aloja muitos dos equipamentos de alimentação de calor, incluindo o queimador 151), a fim de assegurar que o gás de escape e os respectivos produtos de combustão são transportados para a conduta de exaustão 155 para aí poderem ser ventilados para a atmosfera. Pode ser utilizado um ventilador de corrente induzida (mostrado noutro local) para assegurar a total ventilação dos produtos de combustão. 0 dispositivo de recírculaçâo de gás de escape 156 é uma conduta co-anular que recolhe o gás de escape que deixa a área à volta do queimador 151 através do anel interno 156A, e faz recuar uma parte do gás para fluir no anel externo 156B. Durante o tempo em que essa parte de gás está a recircular no anel externo 156B, algum do seu calor é desviado para o permutador de calor da conduta de exaustão, que mostrado como uma conduta de serpentina. A partir daqui, a conduta de serpentina do permutador de calor 157 pode ser encaminhada para outras partes (mostrado noutro local) do sistema, onde pode depois ser utilizada para fornecer calor adicional.

Tendo sido descrita a invenção em pormenor e por referência às respectivas incorporações preferenciais, torna-se evidente de que serão possíveis modificações e 41 variações sem reivindicações partir do âmbito da invenção definido em adenda. nas

Lisboa 12/12/2006

Claims (24)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Um sistema de cogeraçâo configurado para funcionar com um fluido de funcionamento orgânico, o dito sistema compreendendo : uma fonte de calor; um primeiro circuito (100) configurado para transportar o dito fluido de funcionamento orgânico, estando o dito fluido orgânico de trabalho em comunicação térmica com o dito fluido de funcionamento orgânico de maneira a que o calor daí transferido sobreaquece o dito fluido, compreendendo o dito primeiro circuito (100): um expansor em espiral (101) configurado para receber o dito fluido de funcionamento orgânico de maneira a que este permaneça sobreaquecido após a passagem através do dito expansor em espiral (101); Um condensador (102) em comunicação de fluido com o dito expansor em espiral (101); e uma bomba (103) configurada para fazer circular o dito fluido de funcionamento orgânico através do dito primeiro circuito (100) e; um gerador (105) acoplado de maneira operacional ao dito expansor em espiral.

2. Um sistema de cogeraçâo segundo a reivindicação 1, 2 em que a dita fonte de calor é um queimador (151) em comunicação térmica com um evaporador.

3. Um sistema de cogeração segundo a reivindicação 2, em que o dito queimador (151) e o dito evaporador estão integrados no interior de um contentor comum, o dito contentor incluindo uma conduta de exaustão (155) .

4. Um sistema de cogeração segundo a reivindicação 3, compreendendo um permutador de calor (157) adjacente à dita conduta de exaustão (155), que compreende preferencialmente um dispositivo de recirculação do gás de escape (156).

5. Um sistema de cogeração segundo a reivindicação 4, em que uma parte do calor removido da dita conduta de exaustão (155) pelo dito permutador de calor (157) é colocada em comunicação térmica com pelo menos um fluido de circulação, aumentando assim a temperatura do dito fluido.

6. Um sistema de cogeração segundo a reivindicação 2, em que a dita comunicação térmica entre o dito queimador (151) e o dito primeiro circuito (100) é efectuada através de um permutador de calor inter-circuitos (104) disposto entre a dita bomba e o dito expansor em espiral.

7. Um sistema de cogeração segundo a reivindicação 2, compreendendo também um segundo circuito colocado 3 adjacente ao dito queimador, o dito segundo circuito {105) incluindo pelo menos um circuito de tubagem adaptado para nele transportar um fluido de permuta de calor.

8. Um sistema de cogeração segundo a reivindicação 7, em que o dito queimador (151) está colocado no interior de uma câmara de combustão que está em comunicação térmica com o dito segundo circuito (105), a dita câmara de combustão incluindo uma conduta de exaustão em comunicação com o dito queimador.

9. Um sistema de cogeração segundo a reivindicação 8, compreendendo também um ventilador de exaustão (158) acoplado à dita conduta de exaustão{155) para facilitar a remoção do gás de escape proveniente da dita câmara de combustão (155), ou em que a dita conduta de exaustão compreende também um dispositivo de recirculação de gás de escape (156) para que pelo menos uma parte do dito gás de escape seja transferida para o dito fluido de permuta de calor.

10. Um sistema de cogeração segundo a reivindicação 8, em que o dito fluido de permuta de calor no dito segundo circuito (150) inclui uma mistura de água e um aditivo inibidor de congelação, e/ou o dito fluido de permuta de calor no dito segundo circuito inclui um fluido de funcionamento orgânico.

11. Um sistema de cogeração segundo qualquer 4 reivindicação anterior, em que a dita fonte de calor e o dito primeiro circuito (100) são configurados de modo a que a pressão de funcionamento máxima do dito fluido de funcionamento orgânico no interior do dito primeiro circuito é aproximadamente 1,38 - 3,10 MPa (200 a 450 libras por polegada quadrada } , e a temperatura de funcionamento máxima é aproximadamente 121 - 177°C (250 a 350 graus Fahrenheit}.

12. Um sistema de cogeração segundo qualquer reivindicação anterior, em que o dito fluido de funcionamento orgânico compreende um refrigerante halocarbonado, de preferência compreendendo o dito refrigerante halocarbonado R-245fa.

13. Um sistema de cogeração segundo qualquer reivindicação anterior, em que o dito fluido de funcionamento orgânico compreende pelo menos um hidrocarboneto natural, de preferência tem a fórmula geral de CnH2n+2f tal como isopentano.

14. Um sistema de cogeração segundo qualquer reivindicação anterior, em que o dito condensador (102) é configurado para estar em comunicação de permuta de calor com um circuito de água de aquecimento ambiente.

15. Um sistema de cogeração segundo a reivindicação 14, compreendendo também um dispositivo de pré-aquecimento do circuito de água de aquecimento 5 ambiente em comunicação de permuta de calor com um segundo circuito (105) adaptado para nele transportar um fluido de permuta de calor.

16. Um sistema de cogeração segundo qualquer reivindicação anterior, em que o dito primeiro circuito (100) é configurado de modo a electricidade produzida pelo dito gerador (105) seja até 10 quilowatts; e/ou em que o dito sistema seja configurado de modo a que um parte da dita electricidade produzida pelo dito gerador (105) seja utilizada para fazer funcionar a dita bomba ; e/ou em que o dito condensador (102) tenha capacidade para transferir até 60 quilowatts de energia térmica.

17. Um sistema de cogeração segundo qualquer reivindicação anterior, incluindo também um controlador (130) configurado para monitorizar e alterar selectivamente a extensão na qual o dito fluido de funcionamento orgânico é sobreaquecido.

18. Um sistema de cogeração segundo a reivindicação 17, em que o dito controlador (130) é configurado para comparar as indicações de temperatura no dito evaporador e no dito expansor de espiral para determinada a extensão na qual o fluido de funcionamento orgânico é sobreaquecido,

19. Um sistema de cogeração segundo a reivindicação 18, compreendendo pelo menos um interruptor (130) 6 configurado para responder a um nível do dito fluido de funcionamento orgânico à saída do dito condensador (120), sendo pelo menos um interruptor acoplado ao dito controlador.

20. Um sistema de cogeração segundo as reivindicações 18 e 19, compreendendo um conjunto de válvulas configurado para permitir o dito fluido de funcionamento orgânico de passar pelo dito expansor de espiral (101} mediante uma condição predefinida, podendo a condição predefinida ser um falha da rede, um pico de arranque ou um pico de fecho.

21. Um sistema de cogeração segundo qualquer reivindicação anterior, em que o dito sistema de cogeração é configurado para estar em comunicação de permuta de calor com um circuito de água quente (140), e/ou estar configurado para a produção de água quente doméstica, água de aquecimento ambiente e electricidade a partir de um ciclo do tipo Rankine.

22. Um sistema de cogeração segundo a reivindicação 21, em que a dita comunicação de permuta de calor entre o dito sistema de cogeração e o dito circuito de água quente ocorre num reservatório de armazenamento (180) colocado no interior de um segundo circuito (150), e em que o dito segundo circuito (150) é adaptado para nele transportar um fluido de permuta de calor. 7

23. Um sistema de cogeração segundo a reivindicação 22, compreendendo também um elemento de aquecimento colocado no dito tanque de armazenamento de água (180), sendo o dito elemento de aquecimento aquecido pela electricidade fornecida pelo dito gerador (105) .

24. Um sistema de cogeração segundo a qualquer das reivindicações de 21 a 23, em que a dita comunicação de permuta de calor entre o dito sistema de cogeração e o dito circuito de água quente doméstica ocorre no dito condensador (102) . Lisboa 12/12/2006