PT2211028E

PT2211028E - Sistema para converter calor perdido a partir de uma fonte de calor perdido

Info

Publication number: PT2211028E
Application number: PT10160319T
Authority: PT
Inventors: Thomas Buerki
Original assignee: Abb Schweiz Ag
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2007-12-05
Publication date: 2012-01-11
Also published as: ATE527436T1; DE602007010024D1; CA2704281C; EP2211028A2; EP2211028A3; EP2092165B1; WO2008074637A1; EP2092165A1; ATE485439T1; EP2211028B1; ES2374874T3; CA2704281A1; PL2211028T3

Description

ΕΡ 2 211 02 8/PT

DESCRIÇÃO "Sistema para converter calor perdido a partir de uma fonte de calor perdido"

CAMPO DO INVENTO O invento refere-se ao campo da conversão de calor perdido. O mesmo parte de um sistema para converter calor perdido por meio de um sistema fechado de ciclo de Rankine orgânico tal como descrito no preâmbulo da reivindicação 1.

ANTECEDENTES DO INVENTO

Os processos industriais produzem em geral calor perdido, por exemplo, por condensação de gás ou fluidos de arrefecimento, ou o mesmo está compreendido em gases de escape a partir de processos de produção de químicos, vidro, papel ou aço, a partir de processos de incineração de desperdício, ou a partir de combustão de combustível em motores de combustão interna tais como turbinas a gás ou motores alternativos. Esse calor perdido é comummente descarregado para a atmosfera. Contudo, de modo a melhorar a eficiência global dos processos industriais sem aumentar a saída das emissões ao utilizar o calor perdido, é comummente utilizado um ciclo inferior. Os ciclos inferiores requerem usualmente temperaturas de escape elevadas, contudo um exemplo de um ciclo inferior que requer temperaturas de escape inferiores é o Ciclo Orgânico de Rankine (ORC). O ORC produz potência no veio a partir de fontes de calor perdido de temperatura baixa ao utilizar um fluido de trabalho orgânico com uma temperatura de ebulição adequada à fonte de calor. O ciclo fechado de Rankine bem conhecido compreende um evaporador ou caldeira para a evaporação de um fluido de trabalho, uma turbina alimentada com vapor a partir do evaporador para accionar um gerador ou outra carga, um condensador para condensar o vapor de escape a partir da turbina, e meios, tais como uma bomba , para recircular o fluido de trabalho condensado no evaporador. Tais sistemas de ciclo de Rankine são comummente utilizados com a finalidade de gerar energia eléctrica. 2

ΕΡ 2 211 028/PT A patente US 6880344 descreve um ciclo fechado de Rankine que pode utilizar de modo eficiente calor perdido a partir de várias fontes num sistema de motor alternativo ou de turbina de gás. Um compressor centrífugo da arte anterior é utilizado como a turbina. 0 sistema orgânico de ciclo de Rankine é combinado com um sistema de ciclo de compressão de vapor com o gerador de turbina do ciclo orgânico de Rankine que gera a energia necessária para operar o motor do compressor de refrigerante do ciclo de compressão de vapor. O último é aplicado com o seu evaporador a arrefecer o ar de admissão para dentro de uma turbina de gás, e o ciclo orgânico de Rankine é aplicado para receber calor a partir de um escape de turbina de gás para aquecer o seu evaporador. É utilizado um condensador comum para o ciclo orgânico de Rankine e o ciclo de compressão de vapor, sendo circulado um fluido de trabalho orgânico comum ou refrigerante R-245fa dentro de ambos os sistemas. Numa outra concretização, é aplicado um sistema orgânico de ciclo de Rankine a um motor de combustão interna para arrefecer os seus fluidos, e o ar turbo carregado é arrefecido primeiro pelo sistema orgânico de ciclo de Rankine e depois por um ar condicionado antes de passar para dentro da admissão do motor.

No ciclo de Rankine proposto, os gases de escape a partir da turbina de gás que proporcionam calor ao ciclo orgânico de Rankine têm uma temperatura de cerca de 700°F ou 370°C. No evaporador, o refrigerante é levado para uma relação de troca de calor com um escoamento de gases de escape quentes e aquecido até cerca de 225°F ou 107°C. Na saída da turbina, o fluido de trabalho tem uma temperatura de 140°F ou 60°C.

DESCRIÇÃO DO INVENTO

Por conseguinte, um objectivo do invento consiste em utilizar calor perdido a partir de processos industriais, de modo a produzir potência no veio e gerar gases pressurizados ou energia eléctrica. É um outro objectivo do invento aumentar mais a eficiência global dos processos industriais termodinâmicos ou do processo de combustão de combustíveis fósseis. Estes objectivos são conseguidos por uma utilização de um turbo-compressor e um sistema para converter calor 3

ΕΡ 2 211 02 8/PT perdido em potência no veio de acordo com as reivindicações 1 e 3, respectivamente. São evidentes outras concretizações preferidas a partir das reivindicações de patente dependentes.

De acordo com o invento, as fontes de calor perdido de qualidade comparativamente baixa, as quais até aqui foram desprezadas principalmente por razões económicas assim como por falta de equipamento adequado, são exploradas por um procedimento novo de reciclagem de calor perdido. No último, um sistema fechado de ciclo de Rankine é alimentado com calor perdido que é proporcionado, por exemplo, na forma de um fluido de arrefecimento quente, um escoamento de gás de calor residual que tem uma temperatura comparativamente baixa de menos de 350°C, de preferência menor do que 250°C e, em certas circunstâncias, ainda menor do que 200°C. Num evaporador ou permutador de calor em relação de troca de calor com o calor perdido, um fluido de trabalho adequado é evaporado a uma pressão de menos de 8 bar e de preferência menor do que 6 bar e, subsequentemente, é alimentado para uma turbina para produzir potência no veio. A pressão limitada do fluido de trabalho no sistema de ciclo de Rankine permite utilizar equipamento e tubagem normalizados em vez de equipamento e tubagem de alta pressão, e impede que o permutador de calor seja sujeito a regulamentos de segurança restritivos. A potência no veio pode ser utilizada para gerar gases pressurizados como o ar, por meio de um turbo-compressor desenvolvido de modo original para um motor de combustão interna, tal como um motor a diesel e/ou gasolina na gama de potência de mais de 500 kW. As turbinas axial ou radial de um andar destes turbo-compressores estão bem adaptadas às condições termodinâmicas escolhidas e, em adição, devido à sua concepção comprovada e estabilidade do ciclo de vida, compensam a eficiência termodinâmica um tanto reduzida. Em alternativa, o andar de compressor do turbo-compressor pode ser removido do veio da turbina e substituído por um gerador para gerar electricidade.

Numa concretização preferida, o fluido de trabalho é um refrigerante orgânico, não tóxico, não explosivo, tal como o 4 ΕΡ 2 211 028/ΡΤ R-245fa, disponível, por exemplo, a partir da Honeywell Inc. como Honeywell HFC-245fa ou Genetron® 245fa. No contexto do presente invento, foi mostrado que um fluido de trabalho deste tipo pode ser evaporado e aquecido a uma temperatura de aproximadamente 60°C por meio de calor perdido a uma temperatura de menos de 200°C onde, em algumas circunstâncias, eram suficientes até mesmo temperaturas de calor perdido tão baixas quanto 150°C para um gás de calor residual ou 120°C para um fluido de arrefecimento.

Numa variante vantajosa do invento, a turbina é uma turbina de alta velocidade que roda a uma velocidade de mais do que 1,5 vezes uma frequência nominal de rede de CA de uma rede de energia eléctrica. Este gerador de elevada velocidade accionado directamente, que inclui um conversor de frequência, permite uma geração de energia altamente eficiente e evita as desvantagens de uma caixa de velocidades entre a turbina e o gerador.

Numa outra variante vantajosa do invento, é proporcionado um invólucro de admissão de turbina com uma secção transversal segmentada e compreendendo diversos canais de escoamento distintos para guiar o fluido de trabalho evaporado para as pás do rotor da turbina. A segmentação permite uma melhor operação da turbina em condições de carga parcial. Em alternativa, podem ser empregues palhetas de guia de admissão variável, as quais de modo semelhante permitem que a turbina opere numa gama de carga mais ampla e com eficiências elevadas. Encontra-se descrito na EP1264079 um sistema de palhetas de guia exemplificativo para um turbo-compressor de gás de escape de escoamento axial.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS O assunto do invento vai ser explicado em maior detalhe no texto que se segue com referência às concretizações exemplificativas preferidas que estão ilustradas nos desenhos esquemáticos anexos, dos quais: a Fig. 1 é uma ilustração de um sistema de ciclo de Rankine; e 5 ΕΡ 2 211 028/ΡΤ a Fig. 2 é uma ilustração de um sistema de ciclo de Rankine com circuito de água intermédio; e a Fig. 3 mostra um invólucro de admissão de turbina com uma secção transversal segmentada.

Os símbolos de referência utilizados nos desenhos e os seus significados estão listados de forma resumida na lista de símbolos de referência. Em princípio, as partes idênticas são proporcionadas com os mesmos símbolos de referência nas figuras.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS CONCRETIZAÇÕES PREFERIDAS A Fig. 1 mostra uma ilustração esquemática de um sistema de ciclo fechado de Rankine, que compreende, num sentido de escoamento dos ponteiros do relógio do fluido de trabalho tal como indicado pelas setas, um evaporador 1 ou caldeira para a evaporação de um fluido de trabalho, uma turbina 2 alimentada com vapor a partir do evaporador para accionar, através de um veio comum 3, um gerador 4 ligado a uma rede de energia eléctrica ou qualquer outra carga, um separador 11, um condensador 5 para condensar os vapores de escape a partir da turbina e meios, tais como uma bomba 6, para recircular o fluido de trabalho condensado para o evaporador 1. 0 separador 11 separa ou extrai resíduos de fluido de trabalho a partir dos fluidos de lubrificação tais como óleo utilizado no sistema de óleo/lubrificação da engrenagem da turbina 2, e injecta de novo os resíduos de fluido de trabalho separados dentro do ciclo de fluido de trabalho principal tal como indicado pela linha tracejada. 0 gás de calor residual ou gás de escape quente a partir da fonte de calor perdido 7 tem uma temperatura, quando entra no evaporador 1, a qual está abaixo de 350°C e, eventualmente, abaixo de 250°C, à pressão ambiente, e é finalmente libertado para o ambiente através da chaminé 8. Tipicamente, no evaporador 1, o fluido de trabalho é aquecido até 60°C a uma pressão de menos do que 8 bar e expandido na turbina 2 a 30°C à pressão ambiente, onde está ainda gasoso. A Fig. 2 ilustra um sistema com um circuito intermédio de água (linha tracejada) . Um permutador de calor de água 9 encontra-se colocado na corrente de gás de escape na chaminé 8, onde a água está a ser aquecida por calor a partir do gás 6

ΕΡ 2 211 02 8/PT residual. A água é conduzida para o evaporador 1 onde o fluido de trabalho é evaporado e o vapor condensa-se. A água é então circulada de volta para o permutador de calor de água 9 por meio de uma bomba de água 10. Na concretização particular ilustrada, o evaporador 1 é um evaporador de dois andares que consiste num pré-aquecedor de liquido-liquido e num evaporador de gás-líquido, sendo os dois andares atravessados em série pela água e, no sentido oposto, pelo fluido de trabalho. Na concretização mostrada, a turbina 2 está ligada, através do veio 3, a um compressor em vez de um gerador, e a potência no veio é utilizada para gerar gases pressurizados. O resto do ciclo do fluido de trabalho está inalterado em relação à Fig. 1. A Fig. 3 mostra um invólucro de admissão de turbina 13, com o fluido de trabalho a entrar a partir da esquerda e a sair do invólucro no fundo na direcção da turbina (não ilustrada na Fig. 3). O invólucro compreende pelo menos dois canais de escoamento 13a, 13b, e a secção transversal 13c perpendicular ao sentido do escoamento está segmentada ou seccionada, em que os segmentos distintos correspondem aos pelo menos dois canais de escoamento e podem estar abertos ou fechados de modo independente. Isto permite acomodar condições de operação de carga parcial, caso no qual um ou mais dos canais de escoamento permanecem fechados. São descritas a seguir concretizações adicionais exemplificativas do invento:

Concretização 1: Utilização de um turbo-compressor que compreende uma turbina (2) ligada, através de um veio (3), a um andar de compressor para gerar gases pressurizados, caracterizada por a turbina (2) do turbo-compressor estar acoplada a um sistema de ciclo fechado de Rankine que compreende um evaporador (1), a turbina (2) do turbo-compressor e um condensador (5), em que o evaporador (1) é aquecido por calor perdido a partir de uma fonte de calor perdido (7), um fluido de trabalho é evaporado no evaporador (1) para accionar a turbina (2), e em que o condensador (5) é interligado de modo fluido entre a turbina (2) e o evaporador (D , e caracterizada por uma temperatura de calor perdido no evaporador (1) que não excede 350°C e que está de preferência 7 ΕΡ 2 211 028/ΡΤ abaixo de 250°C, e por uma pressão do fluido de trabalho evaporado que não excede 8 bar.

Concretização 2: Utilização de acordo com a Concretização 1, caracterizada por o andar de compressor do turbo-compressor ser substituído por um gerador (4) para gerar electricidade.

Concretização 3: Sistema que converte calor perdido, a partir de uma fonte de calor perdido (7), em potência no veio, que compreende um sistema de ciclo fechado de Rankine que inclui um evaporador (1) aquecido pelo calor perdido, uma turbina (2) accionada por um fluido de trabalho evaporado no evaporador (1) e ligada a um veio (3), e um condensador (5) interligado de modo fluido entre a turbina (2) e o evaporador (D , caracterizado por uma temperatura de calor perdido no evaporador (1) que não excede 350°C e que está de preferência abaixo de 250°C, e por uma pressão do fluido de trabalho evaporado que não excede 8 bar.

Concretização 4: Sistema de acordo com a concretização 3, caracterizado por a turbina (2) ser uma turbina de um turbo-compressor ligada através de um veio (3) a um gerador (4) para gerar electricidade.

Concretização 5: Sistema de acordo com a concretização 3, caracterizado por o fluido de trabalho ser um refrigerante orgânico, não tóxico, não explosivo.

Concretização 6: Sistema de acordo com a concretização 3, caracterizado por os gases de calor residual a partir da fonte de calor perdido (7) entrarem numa relação de permuta de calor com o evaporador (1) através de um circuito intermédio de água ou óleo para transferir o calor perdido do gás de calor residual para o fluido de trabalho.

Concretização 7: Sistema de acordo com a concretização 3, caracterizado por o calor perdido a partir da fonte de calor perdido (7) evaporar o fluido de trabalho no evaporador (1) sem qualquer fluido intermédio. 8

ΕΡ 2 211 02 8/PT

Concretização 8: Sistema de acordo com a concretização 3, caracterizado por a turbina (2) ser uma turbina de alta velocidade com uma engrenagem de dentes direitos e rodar a uma velocidade de pelo menos 1,5 vezes a frequência nominal de CA de uma rede de energia eléctrica, e alimentando um gerador de alta velocidade que inclui componentes electrónicos de energia para conversão de frequência.

Concretização 9: Sistema de acordo com a concretização 3, caracterizado por compreender um separador (11) para separar resíduos de fluido de trabalho a partir dos fluidos utilizados num sistema de óleo de uma engrenagem da turbina (2) .

Concretização 10: Sistema de acordo com a concretização 3, caracterizado por a turbina (2) compreender um invólucro de admissão segmentado (13) ou uma palheta de guia de admissão variável.

LISTA DAS DESIGNAÇÕES 1 evaporador 2 turbina 3 veio 4 gerador 5 condensador 6 bomba 7 fonte de calor perdido 8 chaminé 9 calor perdido para o permutador de calor de água 10 bomba de água 11 separador 12 compressor 13 invólucro de admissão de turbina

Lisboa, 2011-12-28

Claims

ΕΡ 2 211 028/ΡΤ 1/2 REIVINDICAÇÕES 1 - Sistema para converter calor perdido, a partir de uma fonte de calor perdido (7), em potência no veio, que compreende um sistema de ciclo fechado de Rankine que inclui um evaporador (1) aquecido pelo calor perdido, uma turbina (2) accionada por um fluido de trabalho evaporado no evaporador (1) e ligada a um veio (3), e um condensador (5) interligado de modo fluido entre a turbina (2) e o evaporador (D ; caracterizado por os gases de calor residual a partir da fonte de calor perdido (7) entrarem numa relação de troca de calor com o evaporador (1) através de um circuito intermédio de água para transferir o calor perdido do gás de calor residual para o fluido de trabalho.
2 - Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o calor perdido ser proporcionado a uma temperatura de menos de 350°C, de preferência menor do que 250°C, a um permutador de calor (9) entre calor perdido e água.
3 - Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o evaporador (1) ser um evaporador de dois andares que consiste num pré-aquecedor de líquido-líquido e um evaporador de gás-líquido, sendo os dois andares atravessados em série pela água e, no sentido oposto, pelo fluido de trabalho.
4 - Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o fluido de trabalho ser um refrigerante orgânico, não tóxico, não explosivo.
5 - Sistema de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o fluido de trabalho ser aquecido a uma temperatura de aproximadamente 60°C por meio de calor perdido a uma temperatura de menos de 200°C.
6 - Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a turbina (2) ser uma turbina de alta velocidade com uma engrenagem de dentes direitos e rodar a uma velocidade de pelo menos 1,5 vezes a frequência nominal ΕΡ 2 211 02 8/PT 2/2 de CA de uma rede de energia eléctrica, e alimentando um gerador de alta velocidade que inclui componentes electrónicos de energia para conversão de frequência.
7 - Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o mesmo compreender um separador (11) para separar resíduos de fluido de trabalho a partir dos fluidos utilizados num sistema de óleo de uma engrenagem da turbina (2) .
8 - Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a turbina (2) compreender um invólucro de admissão segmentado (13) ou uma palheta de guia de admissão variável.
9 - Sistema de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por o invólucro de admissão segmentado (13) com uma secção transversal segmentada compreender canais de escoamento distintos (13a, 13b) para guiar o fluido de trabalho evaporado para as pás do rotor da turbina. Lisboa, 2011-12-28