PT86778B - Ciclo termodinamico de inflamacao directa - Google Patents

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Description

CICLO TERMODINÂMICO DE INFLAMAÇÃO DIRECTA
A presente invenção refere-se na generalidade a processos e aparelhos para a transformação da energia térmica de uma fonte de calor em energia mecânica e depois na forma de energia eléctrica utilizando um fluido de trabalho que é expandido e regenerado. A presente invenção refere-se ainda a um processo e um aparelho para melhorar o rendimento térmico de um ciclo termodinâmico.
É bem conhecido que, de acordo com a segunda lei da termodinâmica, a energia (energia potencial) de qualquer fonte de calor aumenta à medida que a temperatura dessa fonte de calor aumenta. Em virtude deste efeito, os aperfeiçoamentos tecnológicos na produção de energia têm sido dirigidos no sentido de aumentar a temperatura do calor libertado no processo da combustão. Um aperfeiçoamento desse tipo consiste no pré-aquecimento em contrafluxo ou contracorrente do ar de combustão com os gases da combustão para aumentar a temperatura da combustão e a temperatura média da libertação de calor a partir da combustão do combustível. Esta técnica, designada por combustão de carvão pulverizado, é bem conhecida e está largamente estabelecida.
Ao contrário da energia potencial da fonte de calor, o rendimento do ciclo termodinâmico depende, não directamente da temperatura da fonte de calor, mas da temperatura média do fluido de trabalho no processo da transferência da fonte de calor. Se esta temperatura média de aquisição de calor for significativamente mais baixa do que a temperatura da fonte de calor disponível, verificam-se perdas irreversíveis de energia no processo da transferência de energia e o rendimento do ciclo fica relativamente 'baixo.
Este efeito explica o rendimento baixo relativamente das instalações de energia convencionais. Por exemplo, o limite do rendimento de uma instalação de energia que converte energia térmica em potência mecânica situa-se no nível de aproximadamente 63 %, mesmo que a temperatura do fluido de trabalho se mantenha a 537,78°C θ 593133°C ( 1 000° a 1 500° F), limite que é ditado pelas características metalúrgicas das modernas instalações de energia. Analogamente, o rendimento das melhores instalações de inflamação directa, com base numa saída de energia eléctrica de uma turbina (da qual é retirado o trabalho das bombas de circulação de alimentação) não excede 41 a 42 %. Por outras palavras, o rendimento termodinâmico destas instalações nSo excede 65 % (a relação entre o rendimento térmico e o limite termodinâmico de rendimento).
A razão teórica deste fenómeno é que o grande volume de calor transferido para o fluido de trabalho, isto é, a água, é adquirido na caldeira, onde a água ferve a uma temperatura de aproximadamente 35O°C (660°F), enquanto o calor disponível tem uma temperatura muito mais elevada. É absolutamente claro, do ponto de vista termodinâmico, que a menos que se aumente drasticamente a temperatura da aquisição de calor pelo fluido de trabalho, não pode aumentar-se o rendimento do processo de conversão de energia térmica em potência mecânica, isto é, o rendimento do ciclo termodinâmico.
A utilização de um fluido de trabalho com uma temperatura de ebulição mais elevada do que a da água não melhoraria, de maneira prática, o rendimento do ciclo pela razão seguinte. A pressão no condensador tem de ser mantida num vácuo profundo, mesmo quando se usa a água como fluido de trabalho. Se se usar um fluido com uma
- 3 temperatura de ebulição normalmente mais elevada do que a da água, seria necessário no condensador um vácuo ainda mais profundo, o que poderia ser tecnicamente impraticável. A menos que fosse proporcionada essa pressão super-baixa no condensador, a temperatura de condensação de um tal fluido hipotético com ponto de ebulição mais elevado seria elevada e todos os ganhos obtidos na caldeira seriam perdidos no condensador. Devido a este problema, muito pouco se tem progredido na melhoria do rendimento das instalações de energia de inflamação directa nos últimos sessenta ou setenta anos.
Uma via promotedora para o aumento do rendimento de um ciclo energético utilizando fontes de calor de alta temperatura seria utilizar o assim chamado ciclo recuperativo. De acordo com esta ideia, o fluido de trabalho seria pré-aquecido a uma temperatura relativamente elevada por retorno de fluxos do mesmo fluido de trabalho. Só depois de um tal pré-aquecimento o calor externo seria transferido para o fluido de trabalho. Como consequência disso, toda a aquisição de calor ocorreria a uma temperatura elevada e, teoricamente, seria aumentado o rendimento de um tal ciclo.
único exemplo prático de um tal ciclo é o chamado ciclo recuperativo de Brighton, que utiliza um fluido de trabalho gasoso. Neste ciclo, o fluido de trabalho é comprimido à temperatura ambiente, pré-aquecido num recuperador, aquecido adicionalmente por uma fonte de calor, expandido numa turbina e reenviado para o recuperador, proporcionando assim o pré-aquecimento.
Apesar das suas vantagens teóricas, o ciclo recuperativo de Brighton não proporciona, na realidade, um maior rendimento devido a dois factores:
1) o trabalho de compressão de um fluido de trabalho gasoso é muito elevado e não pode ser efectuado isotermicamente ou com / pequena subida da temperatura; e
2) devido à utilização de um fluido de trabalho gasoso, a diferença de temperatura no recuperador tem de ser relativamente elevada, provocando assim perdas de energia irreversíveis.
A solução ideal para um ciclo energético de elevado rendimento seria combinar um elevado grau de recuperação, característico do ciclo de Brighton, com um ciclo do vapor no qual a pressão do fluido de trabalho seja aumentada enquanto este fluido está num estado líquido. Isso permite a utilização de bombas, com requisitos de trabalho relativamente menores (baixo trabalho de compressão) para aumentar a pressão do fluido.
A realização directa de um tal ciclo parece impossível infelizmente, por uma razão simples. Se o processo de aquecimento recuperativo incluir o pré-aquecimento, a evaporação e um certo sobreaquecimento do líquido, então o fluxo de retorno, que deve ter uma pressão inferior à do fluxo de entrada, condensar-se-ia a uma temperatura inferior àquela a que o fluxo de entrada entra em ebulição. Este fenómeno parece tornar a recuperação directa de calor um processo impossível.
Como atrás se indicou, o processo global da ebulição num ciclo termodinâmico pode ser visto, para fins de discussão, como sendo constituído por três partes distintas: pré-aquecimento, evaporação e sobreaquecimento. Com a tecnologia convencional, a adaptação de uma fonte de calor e de um fluido de trabalho só é adequada durante a porção do sobreaquecimento a alta temperatura. 0 inventor da presente invenção verificou, no entanto, que nos processos anteriormente conhecidos uma porção do calor a alta temperatura que seria apropriado para um sobreaquecimento a alta temperatura é usado em vez disso para a evaporação e o pré-aquecimento. Isso provoca
- 5 diferenças de temperaturas muito grandes entre os dois fluxos e daí resulta que há perdas de energia livre irreversíveis. Por exemplo, no ciclo de Rankine convencional, as perdas que resultam da desadaptação das caracteristicas de entalpia-temteratura da fonte de calor e do fluido de trabalho constituiriam cerca de 25 % da energia livre disponível.
A solução ideal para o velho dilema da desadaptação das caracteristicas de entalpia-temperatura da fonte de calor .e do fluido de trabalho seria uma solução que tornasse disponível uma temperatura elevada a partir de uma fonte de calor para utilização no sobreaquecimento, reduzindo desse modo as diferenças de temperatura durante o sobreaquecimento, mas que ao mesmo tempo proporcionasse calor a baixa temperatura que minimizasse as diferenças de temperatura no processo de evaporação.
Os sistemas convencionais de produção de energia por meio de vapor proporcionam um substituto pobre para o sistema ideal. Isso porque o calor proporcionado pela extracção múltipla de vapor, que se expandiu parcialmente numa turbina, apenas pode ser usado para o pré-aquecimento a baixa temperatura do fluxo de água que chega ou é fornecido à turbina. Esta utilização da extracção múltipla de vapor para proporcionar calor à água de alimentação é conhecida por pré-aquecimento da água de alimentação. Ao contrário do que sucede no seu uso no pré-aquecimento a baixa temperatura, a extracção de vapor parcialmente expandido não pode proporcionar calor para a porção a alta temperatura do processo de pré-aquecimento ou para a evaporação do fluxo de água de alimentação ou para a porção de baixa temperatura do sobreaquecimento desse fluxo de água de alimentação.
Devido às limitações tecnológicas, a água usualmente ferve
uma temperatura de cerca de a uma pressão de aproximadamente de 176 Kg/cm (2 500 psia) e
355°C (67O°F). Assim, a temperatu ra da fonte de calor destes mente mais elevada do que a sistemas é geralmente substancial temperatura de ebulição do fluido de trabalho líquido. Devido às diferenças entre a temperatura elevada dos gases de combustão e a temperatura relativamente baixa do fluido de trabalho, os sistemas convencionais de máquinas a vapor usam o calor a alta temperatura predominantemente para fins a baixa temperatura. Dado que a diferença entre a temperatura do calor disponível e a temperatura necessária para o processo é muito grande, resultam perdas termodinâmicas muito elevadas provenientes de uma permuta de calor irreversível. Tais perdas limitam severamente o rendimento dos sistemas de vapor convencionais.
A susbstituição dos sistemas convencionais por um sistema que proporcione calor a temperatura mais baixa para a evaporação do fluido de trabalho pode reduzir substancialmente as perdas termodinâmicas resultantes da evaporação. A redução destas perdas pode aumentar substancialmente o rendimento do sistema.
Uma característica importante da presente invenção consiste em proporcionar um aperfeiçoamento significativo do rendimento de um ciclo termodinâmico permitindo uma adaptaçao mais estreita das características de entaipia-temperatura do fluido de trabalho e da fonte de calor na caldeira. Constitui também uma característica importante da presente invenção proporcionar um ciclo energético de inflamação directa no qual o calor a alta temperatura adicionado ao ciclo pode ser usado
predominantemente, se não completamente, para fins a alta temperatura.
Esta transferência de calor para um fluido de trabalho predominantemente ou apenas a temperaturas relativamente elevadas cria as condições necessárias para se conseguir um rendimento termodinâmico e térmico elevado. Devido ao facto de neste ciclo o fluido de trabalho ser uma mistura de pelo menos dois componentes, o ciclo permite conseguir uma grande percentagem de permuta de calor recuperativa, incluindo pré-aquecit mento recuperativo, ebulição recuperativa e sobreaquecimento parcialmente recuperativo. Tal ebulição recuperativa, embora impossível num sistema com um único componente, é possível neste ciclo com fluido de trabalho multicomponente. Ao contrário do que sucede num sistema com um único componente, quando se usam dois ou mais componentes, podem usar-se'composições diferentes para o fluido de trabalho em locais diferentes no ciclo. Isso permite um fluxo de retorno do fluido de trabalho com uma pressão menor do que a do fluxo de entrada, para όσης densar dentro de uma gama de temperaturas maior do que a gama de temperaturas dentro da qual o fluido de entrada ferve, efectuando assim a ebulição recuperativa do fluido de trabalho.
De acordo com uma forma de realização da presente invenção, um processo de realização de um ciclo termodinâmico inclui a fase de expansao de um fluxo de trabalho gasoso para transformar a sua energia numa forma utilizável. 0 fluxo de trabalho gasoso expandido é dividido num fluxo de extracção e um fluxo perdido. Depois de dividir o fluxo expandido em dois fluxos, o fluxo de extracção é combinado com um fluxo pobre, com um teor ο
de um componente com ponto de ebulição elevado maior do que o contido no fluxo de extracção, para formar um fluxo compósito que se condensa ao longo de uma gama de temperaturas que é mais elevada do que a gama de temperaturas necessárias para evaporar um fluxo de trabalho líquido de entrada.
Depois de formar o fluxo compósito, esse fluxo é transportado para uma caldeira onde é condensado para fornecer calor para a ebulição do fluxo de trabalho de entrada. A evaporação do fluxo de trabalho líquido produz o fluxo de trabalho gasoso atrás mencionado. Depois, o fluxo compósito é separado para formar um fluxo líquido e um fluxo de vapor. Uma parte de ou todo o fluxo líquido forma o referido fluxo pobre. 0 fluxo de vapor é retornado para o ciclo, sendo de preferência combinado com uma porção do fluxo compósito para produzir um fluxo de trabalho pré-condensado. 0 fluxo de trabalho pré-condensado é condensado para produzir o fluxo de trabalho líquido que é transportado para a caldeira. 0 fluxo perdido pode ser combinado com este fluxo de trabalho líquido antes de o fluxo de trabalho líquido ser enviado para a caldeira. Em alternativa, o fluxo perdido pode ser retornado para o sistema num outro local. Para completar o ciclo, o calor, que o fluxo compósito atrás referido transporta para a caldeira, é usado para evaporar o fluxo de trabalho líquido para formar o fluxo de trabalho gasoso.
De acordo com uma outra forma de realização da presente invenção, o fluxo de trabalho gasoso que sai da caldeira pode então ser sobreaquecido em um ou mais permutadores de calor quer pelo fluxo de extracção ou pelo fluxo perdido ou por ambos os fluxos de extracçao e perdido. A seguir ao sobreaquecimento
do fluxo de trabalho gasoso nos permutadores de calor, o fluxo de trabalho gasoso pode ser ainda sobreaquecido num aquecedor
A energia fornecida ao aquecedor é fornecida a partir do exterior do ciclo termodinâmico, Depois deste sobreaquecimento, tem lugar expansao do fluxo de trabalho gasoso. Este fluxo de trabalho gasoso expandido pode ser reaquecido e expandido uma ou mais vezes antes de ser dividido nos fluxos perdido e de extracçao. Esta forma de realizaçao pode ainda incluir a fase de reaquecer e expandir o fluxo perdido uma ou mais vezes depois de o fluxo perdido ter sido separado do fluxo de extracçao.
Além disso, esta forma de realização pode ainda incluir uma série de permutadores de calor recuperativos usados para recuperar calor dos fluxos de extracçao, compósito e perdido. Estes permutadores de calor podem permitir que o fluxo pobre e o fluxo de trabalho líquido absorvam calor do fluxo compósito. Além disso, um ou mais destes permutadores de calor podem permitir que o fluxo perdido forneça calor adicional ao fluxo de trabalho líquido para facilitar o pré-aquecimento e a ebulição do fluxo de trabalho líquido.
De acordo com uma outra forma de realização ainda da presente invenção, os processos para a realização de um ciclo termodinâmico atrás descritos podem além disso incluir a fase de reduzir a pressão do fluxo compósito com uma turbina hidráulica (ou em alternativa com uma válvula de borboleta). Depois desta redução da pressão,umaprimeira porção deste fluxo compósito pode ser parcialmente evaporado em um ou mais permutadores de calor com calor proveniente do fluxo perdido e com calor
proveniente deste mesmo fluxo compósito à medida que ele flui para a turbina. Depois da evaporação parcial desta primeira porção do fluxo compósito ele é enviado para um separador onde é separado num fluxo de vapor e num fluxo líquido.
Nesta forma de realização, o fluxo líquido forma uma porção do fluxo pobre que pode ser enviado para uma bomba de circulação para ser bombado para uma pressão mais elevada. A bomba de circulação pode ser ligada à turbina hidráulica, libertando a turbina hidráulica energia usada para operar a bomba. Depois de atingir esta pressão elevada, o fluxo pobre pode ser aquecido pelo fluxo compósito de retorno em um ou mais permutadores de calor. Depois de adquirir este calor adicional, o fluxo pobre é combinado com o fluxo de extracção para formar o fluxo compósito usado para pré-aquecer e evaporar o fluxo de trabalho líquido.
fluxo de vapor pode ser combinado com uma segunda porção do fluxo compósito, que flui da turbina hidráulica, num permutador de calor de contacto directo ou num depurador. 0 fluxo líquido que flui do permutador de calor ou do depurador pode combinar-se com o fluxo líquido proveniente do separador para produzir o fluxo pobre. 0 fluxo de vapor que flui do permutador de calor ou do depurador forma um fluxo super rico. Nesta forma de realização, este fluxo super rico pode ser combinado com uma terceira porção do fluxo compósito que flui da turbina hidráulica para formar um fluxo de trabalho pré-condensado. Este fluxo pode então passar através de um permutador de calor, para fornecer calor para o fluxo de trabalho líquido de retorno, antes de ele ser fornecido para o condensador
arrefecido por água para ser completamente condensado para produzir o fluxo de trabalho líquido.
fluxo de trabalho líquido pode ser bombado até uma pressão elevada por uma bomba de alimentação. Depois de obter esta pressão elevada, o fluxo de trabalho líquido pode ser aquecido numa série de permutadores de calor pelo fluxo de trabalho pré-condensado, o fluxo compósito de retorno é o flu xo perdido de retorno. Esta permuta de calor, que pode ser efectuada pela bombagem do fluxo de trabalho líquido para pressões sucessivamente mais elevadas, continua até que o fluxo de trabalho líquido é evaporado para produzir o fluxo de trabalho gasoso, completando assim o ciclo.
A fig. 1 é uma representação esquemática de uma forma de realização do processo e do aparelho segundo a presente invenção .
A fig. 2 é uma representação esquemática de uma segunda forma de realização do processo e do aparelho segundo a presente invenção.
esquema representado na fig. 1 mostra uma forma de realização preferida do aparelho que pode ser usado no ciclo atrás descrito. Especificamente, a fig. 1 mostra um sistema (100) que inclui um gerador de vapor sob a forma dos permutadores de calor (112) e (127), um pré-aquecedor sob a forma dos permutadores de calor (114) e (116), e um sobreaquecedor sob a forma dos permutadores de calor (109) e (110). Além disso, o sistema (100) inclui turbinas (102), (104) e (106), o sobreaquecedor (101), os reaquecedores (103) θ (105), o separador
- 12 por gravidade (120), o depurador (125)
(119), as bombas (122), (125), (138) e (139), os permutadores de calor (117), (118) e (128) e o condensador (121). Além disso, o sistema (100) inclui os separadores de fluxos (131) a (137) e os misturadores de fluxos (140) a (14?).
condensador (121) pode ser de qualquer tipo de dispositivo de rejeição de calor conhecido. Por exemplo, o condensador (121) pode tomar a forma de um permutador de calor, tal como um sistema arrefecido por água, ou outro tipo de disposi tivo condensador. Em alternativa, o condensador (121) pode ser substituído por um sistema de rejeição de calor descrito nas patentes de invenção norte-americanas N2s 4 489 583 e 4 604 867 de Kalina. 0 sistema de Kalina exige que o fluxo que se aproxima do condensador (121) na fig. 1 seja misturado com um fluxo de fluido multicomponente, por exemplo, um fluxo de fluido que compreende água e amoníaco, condensados e depois destilados para produzir o estado original do fluido de trabalho. Assim, quando o sistema de rejeição de calor do ciclo de Kalina for usado em vez'do condensador (121), pode utilizar-rse o subsistema de destilação descrito nas patentes de invenção norte-americanas N2s 4 489. 563 e 4 604 867 em lugar do condensador (121). As patentes de invenção norte-americanas N^s 4 489 563 θ 4 604 867 são aqui expressamente incorporadas por referência.
Podem usar-se vários tipos de fontes de calor para accionar o ciclo segundo a presente invenção. Assim, por exemplo, podem usar-se desde fontes de calor com temperaturas tão elevadas como 1000°C, ou mais baixas, até fontes de calor suficientes para sobreaquecer um fluxo de trabalho gasoso para aquecer o fluxo de trabalho gasoso que flui através do aquecedor (101) e dos reaquecedores (103) θ (105). Os gases de combustão que resultam da combustão de combustíveis fósseis é uma fonte de calor preferida. Pode também usar-se qualquer outra fonte de calor capaz de sobreaquecer o fluxo de trabalho gasoso que é usado na forma de realização da presente invenção descrita.
Embora a forma de realização ilustrada na fig. 1 se refira à combustão de carvão pulverizado, este sistema pode ser usado com uma variedade de sistemas de combustão, incluindo diferentes tipos de sistemas de combustão de leito fluido e sistemas de incineração de produtos residuais. Um entendido na matéria pode ajustar o sistema por adição de permutadores de calor necessários para se acomodar a uma certa variedade de sistemas de combustão diferentes.
fluido de trabalho usado no sistema (100) pode ser qualquer fluido de trabalho multicomponente que compreende um fluido de ponto de ebulição mais baixo e um fluido de ponto de ebulição relativamente mais elevado. Assim, por exemplo, o fluido de trabalho utilizado pode ser uma mistura de amoníaco e água, dois ou mais hidrocarbonetos, dois ou mais freons, misturas de hidrocarbonetos e freons1' e similares. Em geral, o fluido pode ser constituído por misturas de qualquer numero de compostos com características termodinâmicas e solubilidade favoráveis. Numa forma de realização preferida, usa-se uma mistura de água e amoníaco.
Como se representa na fig. 1, um fluxo de trabalho circula através do sistema (100). 0 fluxo de trabalho inclui um fluxo de trabalho gasoso que flui do misturador de vapor (142)
até ser separado num fluxo de extracção e num fluxo de vapor perdido, no separador (131). Além do fluxo de trabalho gasoso, o fluxo de extracção £ que flui do separador (131) para o misturador de vapor (141)J e o fluxo de vapor perdido que flui do separador (131) para o misturador de vapor (147) J o fluxo de trabalho inclui um fluxo de trabalho pré-condensado que flui do misturador (146) para o condensador (121)J e um fluxo de trabalho líquido que flui do condensador (121) para as caldeiras (112) e (127) J. Cada porção do fluido de trabalho contém a mesma percentagem de componentes de elevado e de baixo ponto de ebulição.
fluxo de trabalho gasoso, que foi completamente evaporado e sobreaquecido em andares anteriores do sistema (100), entra no aquecedor (101). Enquanto no aquecedor (101), o fluxo de trabalho gasoso é sobreaquecido até à temperatura mais elevada que se atinge em qualquer fase do processo. Depois de ser sobreaquecido, este fluxo de trabalho gasoso expande-se na turbina (102) até uma pressão intermédia. Esta expansão permite que o calor contido no fluxo de trabalho gasoso seja convertido ( em energia numa forma utilizável.
Depois da expansão na turbina (102), o fluxo de trabalho gasoso é separado pelo separador (131) em dois fluxos, um fluxo de extracção e um fluxo de vapor perdido. 0 fluxo de vapor perdido é reaquecido no reaquecedor (103)» expandido na turbina (104), reaquecido uma segunda vez no reaquecedor (105) e expandido uma segunda vez na turbina (106). Embora a fig. 1 represente o sistema (100) como tendo dois reaquecedores (103) e (105), para o reaquecimento do fluxo de vapor perdido, e duas ι> -
turbinas (104) e (106), para a expansão do vapor perdido, o número óptimo de reaquecedores e turbinas depende do rendimento desejado para o sistema. 0 número de reaquecedores e turbinas pode ser aumentado ou diminuído a partir do número representado na fig. 1. Além disso, pode usar-se um aquecedor único para aquecer o fluxo de trabalho gasoso, antes da expansão, e o fluxo de trabalho de vapor perdido, antes da expansão do vapor perdido. Portanto, o número de aquecedores e de reaquecedores pode ser maior ou menor ou igual ao número de turbinas.
Além disso, o sistema (100) pode inclui aquecedores e turbinas adicionais para reaquecer e expandir o fluxo gasoso que sai da turbina (102) antes daquela separação do vapor nos fluxos de extracção e no fluxo de vapor perdido. Assim, embora a inclusão dos reaquecedores (103) e (105) e das turbinas (104-) e (106) no sistema (100) proporcione uma forma de realização preferida da presente invenção, é possível escolher um número diferente de reaquecedores e turbinas sem que se verifique um afastamento do escopo do conceito inventivo geral apresentado.
Depois destes reaquecimentos e expansões do fluxo de vapor perdido, este fluxo passa através de uma série de permutadores de calor recuperadores. Como se representa na fig. 1, o fluxo de vapor perdido, depois da expansao, passa através de permutadores de calor recuperadores (110), (127) e (116). Enquanto passa através do permutador de calor (110), o vapor perdido proporciona calor para sobreaquecer o fluxo de trabalho gasoso. Enquanto passa através do permutador de calor (127), o fluxo perdido proporciona calor para evaporar o fluxo de trabalho líquido a alta pressão de entrada. Analogamente, enquanto
passa através do permutador de calor (116), o vapor perdido proporciona calor para pré-aquecer este fluxo de trabalho líquido a alta pressão de entrada.
A utilização de alguns ou todos os permutadores de calor (110), (127) e (116) ou a adição de um certo numero de permutadores de calor adicionais ao sistema é uma questão de projecto e de escolha. Embora a inclusão de permutadores de calor (110), (127) e (116) no sistema seja preferida. 0 fluxo perdido pode passar através de um maior número de permutadores de calor ou não passar através de nenhum permutador de calor, sem que por isso haja um afastamento do escopo da presente invenção.
fluxo de extracção que começa no separador dos fluxos (131) passa inicialmente através do permutador de calor recuperador (109). Enquanto passa através do permutador de calor (109), o fluxo de extracção fornece calor para sobreaquecer o fluxo de trabalho gasoso a alta pressão de entrada. Embora 0 sistema (100) inclua de preferência 0 permutador de calor (109), pode eliminar-se o permutador de calor (109) ou adicionar permutadores de calor adicionais. 0 estado preferido do fluxo de extracção no ponto (42), depois de ter passado através do permutador de calor (109), é o de vapor sobreaquecido.
Depois de aquecer o fluxo de trabalho gasoso, o fluxo de extracçao combina-se com o fluxo pobre no misturador de fluxos (141). Este fluxo pobre contém os mesmos componentes contidos no fluxo de trabalho. 0 fluxo pobre, porém, tem um teor de componente de elevado ponto de ebulição mais elevado do que o contido em qualquer parte do fluxo de trabalho. Por exemplo,
nos fluxos de trabalho e pobre, a água é o componente de ponto de ebulição elevado e o amoníaco é o componente de ponto de ebulição baixo. Num tal sistema de dois componentes, o fluxo pobre contém uma percentagem mais elevada de água do que a contida no fluxo de trabalho. Como se representa na fig. 1, o fluxo pobre flui do misturador de fluxos (144) para o misturador de fluxos (141).
Nesta forma de realização, o estado do fluxo pobre no ponto (74), antes da mistura com o fluxo de extracção no misturador de fluxos (141), é de preferência o de um líquido sub-arrefecido.
A mistura do fluxo pobre com o fluxo de extracção no misturador de fluxos (141) proporciona um fluxo compósito que tem uma gama de temperaturas de ebulição mais baixa do que o fluxo pobre mas uma gama de temperaturas de ebulição mais altas do que o fluxo de extracção ou do que qualquer outra porção do fluxo de trabalho. 0 estado do fluxo compósito à medida que flui do misturador de fluxos (141) depende dos estados dos fluxos pobre e de extracção. Ê preferivelmente o de uma mistura de vapor líquido. De preferência, a pressão do fluxo de extracção no ponto (42) e do fluxo pobre no ponto (74), antes da mistura no misturador de fluxos (141), será a mesma que a do fluxo compósito no ponto (50), que é formado no misturador de fluxos (141). A temperatura do fluxo compósito neste ponto é de preferência mais elevada do que a temperatura do fluxo pobre no ponto (74) e ligeiramente mais baixa do que a do fluxo de extracção no ponto (42).
fluxo compósito conterá uma percentagem mais elevada de um componente de ponto de ebulição elevado do que o contido no fluxo de extracção ou nas outras porções do fluxo de trabalho. Devido ao facto de o fluxo compósito conter uma percentagem mais elevada de um componente de ponto de ebulição mais alto, ele pode ser condensado dentro de uma gama de temperaturas que excede a gama de temperaturas de ebulição do fluxo de trabalho líquido. Além disso, nesta forma de realização preferida, o fluxo compósito pode ser condensado a uma temperatura mais elevada do que a temperatura de ebulição do fluxo de trabalho líquido, mesmo que a pressão do fluxo compósito seja significativamente mais baixa do que a do fluxo de trabalho líquido de entrada.
fluxo compósito produzido pela mistura do fluxo de extracção com o fluxo pobre flui para o permutador de calor (112), onde é arrefecido e condensado, à medida que está a ser arrefecido e condensado, o fluxo compósito fornece calor para evaporar o fluxo de trabalho líquido de entrada e para fornecer calor ao fluxo pobre de entrada, à medida que estes fluxos entram no permutador de calor (112).
uso de um fluxo compósito, com uma gama de temperaturas de ebulição mais elevada do que a gama de temperaturas de ebulição do fluxo de trabalho líquido proporciona uma das diferenças de princípio, entre o ciclo termodinâmico apresentado na presente invenção e os ciclos usados convencionalmente. Ao contrário de um ciclo termodinâmico convencional, o ciclo segundo a presente invenção retira parte do fluxo de trabalho gasoso, depois de ter sido parcialmente expandido, para fornecer calor a um fluxo compósito que extrai parte do fluxo de
trabalho gasoso juntamente com um fluxo pobre a uma temperatura mais baixa. Este fluxo compósito, de preferência tendo uma pressão que é mais baixa do que a pressão do fluxo de trabalho líquido de entrada, é usado para aquecer e evaporar total ou parcialmente o fluxo líquido de entrada
Devido à maior percentagem de componente de ponto de ebulição elevado neste fluxo compósito, o fluxo compósito condensa-se numa gama de temperaturas que é mais elevada do que as temperaturas necessárias para evaporar o fluxo de trabalho líquido de entrada, embora o fluxo de trabalho líquido possa entrar no permutador de calor (112) a uma pressão mais elevada do que a pressão do fluxo compósito.
Um tal processo de evaporação do fluxo de trabalho líquido não pode ser realizado nos sistemas de máquina a vapor convencionais. Nos sistemas convencionais a condensação do fluxo de extracção tem de verificar-se numa gama de temperaturas mais baixa do que a temperatura de ebulição do fluxo de trabalho líquido de entrada se o fluxo de extracção tiver uma pressão menor do que a pressão do fluxo de trabalho líquido de entrada. Assim, o calor cedido por condensação de um fluxo de extracção nos sistemas convencionais pode ser usado apenas para o pré-aquecimento parcial- do fluxo de trabalho de entrada.
Pelo contrário, no processo descrito pela presente invenção, a presença de uma percentagem mais elevada de um componente com ponto de ebulição mais elevado no fluxo compósito permite que o fluxo se condense numa gama de temperaturas mais elevada do que a gama de temperaturas de ebulição do fluxo de trabalho líquido de entrada, mesmo que a pressão do fluxo compósito seja substancialmente mais baixa do que a pressão do fluxo de trabalho líquido. Deve compreender-se que o processo
descrito utiliza um fluxo compósito que pré-aquecimento e a também calor para o fluxo de extracção único para formar um actua como fonte de calor que efectua o evaporação do fluxo de trabalho e fornece sobreaquecimento a baixa temperatura do fluxo de trabalho
No entanto, para criar este fluxo compósito, é necessário extrair parte do fluxo de trabalho gasoso expandido. Deve compreender-se que extraindo parte deste fluxo sobreaquecido para combinação com o fluxo pobre para produzir o fluxo compósito tem como consequência perdas termodinâmicas devido à redução da temperatura do fluxo de extracção. A perdas resultantes da remoção de parte do fluxo gasoso e a mistura desse fluxo de extracção com um fluxo pobre são, no entanto, mais que compensados pelas perdas que se evitam quando se usa o fluxo compósito para evaporar o fluxo de trabalho líquido.
Como mostram os cálculos indicados no Quadro II, usando uma porção do fluxo de trabalho gasoso expandido para criar um fluxo compósito com uma percentagem mais elevada de um componente com ponto de ebulição mais alto do que a contida no fluxo de trabalho líquido, permite-se que o ciclo termodinâmico segundo a presente invenção tenha um rendimento substancialmente maior do que o dos sistemas convencionais de máquinas a vapor. Usando este fluxo compósito para fornecer calor a baixa temperatura para o processo de evaporação a baixa temperatura pode adaptar-se de maneira mais adequada o calor disponível no sistema às características de entalpia temperatura do fluxo de trabalho líquido. Esta adaptação impede as perdas
termodinâmicas muito elevadas que se verificam nos sistemas convencionais que utilizam calor a alta temperatura nos processos de evaporação a baixa temperatura. A enorme quantidade de energia livre economizada pela utilização deste fluxo compósito para adaptar mais estreitamente a temperatura da fonte de calor às características de entalpia-temperatura do fluxo de trabalho líquido excede substancialmente quaisquer perdas provocadas pela remoção de parte do fluxo de trabalho gasoso no seu estado sobreaquecido.
A pressão a que o fluxo de extracção é misturado com o fluxo pobre para produzir o fluxo compósito tem de ser uma pressão que assegure que a temperatura à qual o fluxo compósito se condensa seja mais alta do que a temperatura a que se evapora o fluxo de trabalho líquido. Quanto mais pobre for o fluxo compósito, mais baixa será a temperatura necessária para a condensação. Quanto mais baixa for a pressão, maior será a taxa de expansão da turbina (102), correspondendo a um aumento do trabalho que a turbina fornece.
Há um limite prático para a quantidade do componente de ponto de ebulição mais alto que pode ser usada no fluxo compósito. Isso é assim porque um fluxo compósito mais pobre é mais difícil de separar. Assim, para optimizar o rendimento do sistema é necessário fazer cuidadosamente a escolha da pressão e da composição do fluxo compósito. 0 Quadro I proporciona um exemplo da pressão e da composição do fluxo compósito que podem ser usadas para proporcionar um ciclo altamente eficiente.
Deve compreender-se que o permutador de calor (127), no qual se usa o fluxo perdido para evaporar parte do fluxo de trabalho líquido, pode ser eliminado do sistema (100) sem que por isso haja um afastamento do espírito do conceito inventivo geral descrito. A porção do fluxo de trabalho líquido que passou através do permutador de calor (127) seria então desviada para o permutador de calor (112), onde ela seria evaporada.
Depois de passar pelo permutador de calor (112), o fluxo compósito é enviado para o permutador de calor (114) para fornecer calor para o pré-aquecimento do fluxo pobre e o fluxo de trabalho líquido. Â medida que o fluxo compósito transfere calor para o fluxo pobre e para o fluxo de trabalho líquido, o fluxo compósito é ainda mais arrefecido. Mais uma vez, embora a limitação do número de permutadores de calor nesta parte do sistema (100) aos permutadores de calor (112) e (114) seja o preferido, podem juntar-se permutadores de calor adicionais ou o permutador de calor (114) pode ser retirado do sistema (100) sem que por isso'se verifique um afastamento do escopo da presente invenção.
Depois de o fluxo compósito sair do permutador de calor (114), ele é enviado para o permutador de calor (117), onde o seu calor é usado para evaporar parcialmente uma porção em contracorrente do mesmo fluxo compósito que flui a partir do separador (155).
Mesmo depois da saída do permutador (117), a pressão do fluxo compósito no ponto (55), nesta forma de realização da presente invenção, mantém-se relativamente elevada. Como o fluxo compósito pode não ser capaz de produzir o fluxo de trabalho e o fluxo pobre a esta pressão elevada, esta pressão pode ter que ser reduzida. Esta redução da pressão verifica-se numa turbina hidráulica (119). Uma turbina hidráulica particular
( que pode ser usada é uma roda de Pelton.
Durante esta fase de redução da pressão, pode recuperar-se a totalidade ou uma parte do trabalho necessário para bombar a solução pobre na bomba (122). Devido ao facto de o caudal, em peso, do fluxo que passa através da roda de Pelton (119) ser mais elevado do que o caudal, em peso, do fluxo pobre que passa através da bomba (122), a energia libertada na roda de Pelton (119) é usualmente suficiente para fornecer o trabalho da bomba (122). Se a energia produzida pela roda de Pelton (119) for insuficiente, pode instalar-se um motor eléctrico suplementar para fornecer potência adicional exigida pela bomba (122).
Pode usar-se uma válvula de borboleta como uma alternativa à turbina hidráulica (119). Se se usar uma válvula de borboleta em vez da turbina hidráulica, não será evidentemente recuperado o trabalho gasto para bombar a solução pobre. Mas, independentemente de se usar a turbina hidráulica (119) ou uma válvula de borboleta, o restante do processo não será afectado. A escolha entre 0 uso de uma turbina hidráulica ou uma válvula de borboleta para reduzir a pressão do fluxo compósito é estritamente de natureza económica. Além disso, embora seja preferido o uso do permutador de calor (117) e da turbina (119), pode decidir-se não usar estes dispositivos ou adicionar permutadores de calor adicionais ou outros aparelhos de redução da pressão ao sistema (100).
fluxo compósito que flui a partir da turbina hidráulica (119) tem de preferência uma pressão no ponto (56) aproximadamente igual ou ligeiramente maior do que a pressão de condensação. Uma porção deste fluxo compósito, tendo esta pressão reduzida, é separada do fluxo compósito no separador (157). Este fluxo é de novo dividido no separador (136). Uma primeira porção do fluxo compósito separado no separador (136) é depois dividido em dois fluxos no separador (135). Estes dois fluxos são depois enviados para os permutadores de calor (117) θ (118), onde a contracorrente do mesmo fluxo compósito é arrefecida e se condensa o vapor perdido que retorna, evaporando parcialmente estes dois fluxos. 0 fluxo compósito em contracorrente adiciona calor no permutador de calor (117) e o fluxo perdido que se condensa adiciona calor no permutador de calor (118). Depois de sair dos permutadores de calor (117) e (118), os dois fluxos que saemdo separador (135) são combinados no misturador de fluxos (145). Este fluxo parcialmente evaporado é depois enviado para o separador por gravidade (120).
estado do fluxo que entra no separador por gravidade (120) é o de uma mistura de vapor-líquido. A fim de proporcionar calor para esta evaporação parcial, o fluxo perdido, que se condensou no permutador de calor (118), tem de ter uma pressão que permita que o fluxo perdido seja condensado a uma temperatura média mais elevada do que a temperatura média necessária para evaporar a porção do fluxo compósito que deve ser separada. Quanto mais pobre for o fluxo compósito, mais elevada será a temperatura necessária para a sua evaporação e, portanto, mais elevada será a pressão do fluxo perdido neste ponto (37). 0 aumento da pressão no ponto (37) reduz a relação de expansão nas turbinas (104) e (106) e, por consequência, reduz a potência de saída destas turbinas. Isso mostra que, embora 0
tornar o fluco compósito mais pobre aumente a potência de saída da turbina (102), se reduz a potência de saida das turbinas (104) e (106).
Para maximizar a saída total de todas as três turbinas, tem de escolher-se uma composição apropriada para o fluxo compósito. Uma tal composição está indicada no Quadro I.
A forma de realização representada na fig. 1 usa o fluxo perdido retornado para pré-aquecer o fluxo de trabalho líquido e para evaporar parcialmente o fluxo enviado para o separador por gravidade (120). Ao mesmo tempo, o fluxo perdido é condensado quando passa através do permutador de calor (118).
Deve notar-se que, em vez de condensar o fluxo perdido no condensador (121), sem simultaneamente recuperar o calor do fluxo que se condensa, o sistema (100) utiliza o calor que o fluxo perdido liberta quando está a ser condensado no permutador de calor (118) para pré-aquecer o fluxo de trabalho líquido e evaporar parcialmente o fluxo compósito enviado para o separador (120).
separador por gravidade (120) separa a primeira porção do fluxo compósito num fluxo de vapor e num fluxo líquido. 0 fluxo líquido que flui a partir da parte inferior do separador por gravidade (120) forma uma porção do fluxo pobre que é misturada com o referido fluxo de extracção no misturador (141).
fluxo de vapor que flui a partir do separador por gravidade (120) é enviado para a parte inferior do depurador (125). Uma segunda porção do fluxo compósito, que flui a partir do separador (156), é enviado para a parte superior do depurador (125). Os fluxos líquido e de vapor fornecidos para o
depurador (125) interactuam proporcionando uma permuta de calor e de massa. Pode usar-se em vez do depurador (125) um permutador de calor de contacto directo ou outros meios para efectuar a permuta de calor e de massa entre os fluxos líquido e de vapor, representado como sendo fornecido ao depurador (125) na fig. 1. A utilização no sistema (100) do depurador (125), de um permutador de calor ou de outros meios é apenas um problema de escolha de concepção do sistema.
Na forma de realização representada na fig. 1, os fluxos líquido e de vapor saem do depurador (125). 0 fluxo líquido é combinado com o fluxo líquido que sai do separador (120) no misturador de fluxos (144) para formar o fluxo pobre que ê misturado com o fluxo de extracção no misturador de fluxos (141) para produzir o fluxo compósito. Os fluxos líquidos provenientes do depurador (125) e do separador (120) para formar o fluxo pobre têm de preferência a mesma, ou aproximadamente a mesma, composição.
fluxo pobre flui do misturador de fluxos (144) para a bomba de circulação (122). A bomba (122) bomba o fluxo pobre para uma pressão elevada. Na forma de realização representada na fig. 1, a pressão do fluxo pobre no ponto (70), quando flui da bomba (122), é mais elevada do que a pressão do fluxo pobre no ponto (74), quando flui do permutador de calor (112), como se mostra no Quadro I.
Como se mostra na fig. 1, este fluxo pobre a alta pressão passa pelos permutadores de calor (114) e (112), onde o fluxo compósito em contracorrente fornece calor ao fluxo pobre e se combina com o fluxo de extracção no misturador de fluxos
- '2.7 -
(141).
fluxo de vapor que sai do depurador (125) é um fluxo que tem uma percentagem elevada do componente com baixo ponto de ebulição. Este fluxo super rico combina-se com uma terceira porção do fluxo compósito, isto é, a porção que flui do separador (157), no misturador (146). Este fluxo forma um fluxo de trabalho pré-condensado que flui através do permutador de calor (128) e para o condensador (121). Enquanto passa através do permutador de calor (128), este fluxo de trabalho pré-condensado é ainda condensado enquanto adiciona calor ao fluido de trabalho líquido em contracorrente que flui do condensador (121) e da bomba (123). Depois de sair do permutador de calor (128), o fluxo de trabalho pré-condensado entra no condensador (121), onde é completamente condensado.
Este fluxo de trabalho pré-condensado tem a mesma composição que atrás se descreveu para o fluxo de extracção. Deve notar-se que só este fluxo de trabalho pré-condensado é condensado, minimizando as perdas de energia livre no condensador. Como atrás se descreveu, o fluxo perdido não passa pelo condensador. Em vez disso, o calor libertado da condensação do fluxo perdido é usado para pré-aquecer o fluxo de trabalho líquido e para evaporar parcialmente o fluxo compósito enviado para o evaporador (120). 0 uso do fluxo de trabalho líquido assegura deste modo que o fluxo de trabalho líquido enviado para os permutadores de calor (112) e (127) será completamente evaporado de maneira recuperativa, assegurando que o sistema (100) terá um maior rendimento do que o melhor dos ciclos de Rankina convencionais · condensador (121) é de preferência um condensador
arrefecido por água. Quando se usa um tal condensador, uma corrente de água de refrigeração que passa através do condensador (121) condensa completamente este fluxo de trabalho para produzir o fluxo de trabalho líquido.
Este fluxo de trabalho líquido flui para a bomba de alimentação (125), onde é bombado para uma pressão mais elevada. Este fluxo de trabalho líquido flui então para 0 permutador de calor (128), onde o calor transferido do fluxo de trabalho pré-condensado pré-aquece o fluxo de trabalho líquido. Depois de ser pré-aquecido no permutador de calor (128), o fluxo de trabalho líquido é combinado com o fluxo perdido no misturador de fluxos (147). Este fluxo misturado é bombado para uma pressão intermédia pela bomba (158). Passa então'através do permutador de calor (118), onde é pré-aquecido pelo calor transferido pelo fluxo perdido retornado que se condensa. Depois de sair do permutador de calor (118), o fluxo de trabalho líquido é bombado para uma pressão mais elevada pela bomba (159). Este fluxo de trabalho líquido a pressão mais elevada, de preferência sub-arrefecido é depois separado no separador (154) em dois fluxos. Um dos fluxos passa pelo permutador de calor (114), onde o calor transferido do fluxo compósito pré-aquece esta porção do fluxo de trabalho líquido. 0 outro fluxo que sai do separador (154-) flui para 0 permutador de calor (116), onde o calor do fluxo perdido de retorno é transferido para esta porção do fluxo de trabalho líquido, pré-aquecendo esta porção do fluxo de trabalho líquido. 0 fluxo perdido quando sai do permutador (116) está de preferência no estado de um vapor saturado mas, em alternativa, pode estar no estado de um vapor sobreaquecido
ou pode estar parcialmente condensado.
A porção do fluxo de trabalho líquido que passa pelo permutador de calor (116) combina-se com o fluxo que flui do permutador de calor (114) num misturador de fluxos (143). Este fluxo está de preferência num estado de um líquido saturado ou ligeiramente sub-arrefecido. 0 fluxo que sai do misturador de fluxos (143) é então separado em dois fluxos no separador (135)· Um fluxo flui para o permutador de calor (112). 0 fluxo de trabalho líquido que passa através do permutador de calor (112) é evaporado com o calor transferido do fluxo compósito que flui do misturador de fluxos (141).
outro fluxo que flui do separador (133) flui então para o permutador de calor (127), onde se evapora com o calor transferido do fluxo perdido.
Os fluxos que saem dos permutadores de calor (112) e (127) são combinados no misturador de fluxos (142). Como atrás se descreveu, o permutador de calor (127) pode ser eliminado, sendo todo 0 fluxo de trabalho líquido que sai do misturador de fluxos (143) derivado para 0 permutador de calor (112), sem que por isso haja qualquer afastamento do conceito inventivo da presente invenção.
Nesta forma de realização, o fluxo que flui do misturador de fluxos (142) está no estado de vapor e forma o fluxo de trabalho gasoso do ciclo. 0 fluxo de trabalho gasoso que flui do misturador de fluxos (142), que poderia estar mesmo ligeiramente sobreaquecido é dividido em dois fluxos no separador de fluxos (132). Um destes fluxos passa através do permutador de calor (109), onde é sobreaquecido pelo fluxo de extracção que
vem do separador de fluxos (131) através do permutador de calor (109) para o misturador de fluxos (141). A outra porção do fluxo de trabalho gasoso passa através do permutador de calor (110), onde o calor do fluxo perdido que passa pela turbina (106) é usado para sobreaquecer esta porção do fluxo de trabalho gasoso. Os dois fluxos que fluem do separador de fluxos (132) e através dos permutadores de calor (109) e (110) são recombinados no misturador de fluxos (140). Este fluxo de trabalho gasoso recombinado flui para o aquecedor (101) para completar este ciclo termodinâmico.
Na forma de realização do sistema (200), representado na fig. 2, o processo de absorção, isto é, de adição do fluxo pobre ao fluxo de extracçao para formar o fluxo compósito, é feito em duas fases. 0 fluxo de extracção é dividido em um primeiro e um segundo fluxos de extracção no separador de fluxos (I50). 0 primeiro fluxo de extracção é combinado com o fluxo pobre no misturador de fluxos (141), produzindo um primeiro fluxo compósito, que é mais pobre do que seria se o fluxo de extracção, com parâmetros como no ponto (42), fosse combinado com o fluxo pobre (como se fazia no exemplo de realização representado na fig. 1).
Dado que o primeiro fluxo compósito na fig. 2 é agora mais pobre do que o fluxo compósito da fig. 1, a sua pressão pode ser reduzida, o que aumentará a potência de saída da turbina (102). 0 primeiro fluxo compósito é depois condensado na caldeira (112). Depois disso, o primeiro fluxo compósito é combinado com o segundo fluxo compósito no misturador (151), criando um segundo fluxo compósito. 0 segundo fluido compósito é
mais rico do que o primeiro fluxo compósito. Por conseguinte, é mais fácil proporcionar a sua separação.
primeiro fluxo compósito fornece calor para a caldeira (112) e permite reduzir a pressão de absorção aumentando assim a saída da turbina (102). Ao mesmo tempo, a forma de realização da fig. 2, permite enviar um segundo fluxo compósito enriquecido para o separador (120). Esta forma de realização da fig. 2 proporciona assim a vantagem de um fluxo compósito a pressão mais baixa que ao mesmo tempo impede que o fluxo compósito seja facilmente separado.
Ambos os ciclos representados nas fig. 1 e 2 são substancialmente mais eficientes do que os sistemas de máquinas a vapor convencionais. A decisão para usar um destes sistemas preferidos em vez do outro é uma simples questão de escolha.
Nos ciclos termodinâmicos atrás descritos segundo a presente invenção, todo o aquecimento e a evaporação do fluxo de trabalho líquido podem ser proporcionados de maneira recuperativa, isto é, os fluxos compósito e perdido retornados transferem calor para o fluxo de trabalho líquido à medida que os referidos flúxos arrefecem. Além disso, mesmo uma parte do sobreaquecimento do fluxo de trabalho gasoso pode ser proporcionada desta maneira recuperativa, isto é, os fluxos de extracção e perdido podem transferir calor para o fluxo de trabalho gasoso à medida que esses fluxos arrefecem.
A utilização de um fluxo de extracção para pré-aquecer um fluxo de trabalho de entrada é comum nos sistemas convencionais de máquinas a vapor. Uma tal prática é conhecida em geral por aquecimento da água de alimentação. 0 aquecimento da água
- 52 de alimentação nos sistemas convencionais é utilizável apenas para o pré-aquecimento do fluxo de trabalho de entrada, porque a pressão e a temperatura de condensação do fluxo de extracção são demasiadamente baixas para que seja usado para qualquer outro fim.
Ao contrário do que sucede nos sistemas convencionais da máquinas a vapor, o ciclo termodinâmico segundo a presente invenção não usa um fluxo de extracção para aquecer dírectamente um fluxo de trabalho líquido de entrada. Pelo contrário, a presente invenção usa um fluxo de extracção tendo uma pressão mais baixa do que a pressão no fluxo de trabalho líquido de entrada para aquecer indirectamente este fluxo de trabalho líquido de entrada. Ao contrário dos sistemas convencionais de máquinas a vapor, a presente invenção usa o fluxo de extracção para criar um fluxo compósito com uma percentagem de um componente de ponto de ebulição elevado maior do que o contido no fluxo de extracção ou no fluxo de trabalho líquido de entrada. Ê este'fluxo compósito, que se condensa numa gama de temperaturas que excede a gama de temperaturas necessárias para evaporar o fluxo de trabalho líquido de entrada, que proporciona uma quantidade substancial do calor necessário para evaporar este fluxo de trabalho líquido de entrada.
Como atrás se descreveu, este fluxo compósito pode condensar-se numa gama de temperaturas mais elevada do que a gama de temperaturas necessária para evaporar o fluxo de trabalho líquido, mesmo quando o fluxo compósito está a uma pressão mais baixa do que a pressão do fluxo de trabalho líquido. Nos sistemas convencionais de máquinas de vapor, que apenas têm um componente no fluxo de trabalho, a condensação de um fluxo de
extracção tem de verificar-se numa gama de temperaturas que é inferior à gama de temperaturas necessária para produzir a ebulição do fluxo de trabalho de entrada, quando o fluxo de extracção for mantido a uma pressão mais baixa do que a pressão do fluxo de trabalho de entrada. Assim, ao contrário do que sucede com os sistemas convencionais, o ciclo termodinâmico segundo a presente invenção permite a utilização de uma fonte de calor a baixa temperatura mantida a uma pressão relativamente baixa para a evaporação de um fluxo de trabalho a pressão relativamente elevada. Um tal processo proporciona um rendimento substancialmente aumentado quando comparado com o dos sistemas de máquinas a vapor com um componente único.
Além disso, deve compreender-se que o ciclo termodinâmico segundo a presente invenção pode ser completamente accionado por calor a alta temperatura fornecido ao aquecedor e aos reaquecedores. Utilizando calor a alta temperatura desta maneira é possível adaptar estreitamente a fonte de calor às características de entalpia-temperatura do fluido de trabalho. Esta característica proporciona assim um ciclo de potência com uma redução dramática das perdas de energia livre e com um rendimento substancialmente mais elevado.
Para ilustrar ainda melhor as vantagens que podem obter-se pela presente invenção, fez-se uma série de cálculos, como se indica no Quadro II. Esta série de cálculos está relacionada com um ciclo de potência ilustrativo de acordo com o sistema representado na fig. 1. Neste ciclo ilustrativo o fluido de trabalho é uma mistura de água-amoníaco com uma concentração de 87,5$ de amoníaco (peso de amoníaco em relação ao peso total da
mistura). Os parâmetros para os cálculos teóricos estão indicados no Quadro I. Neste quadro, os pontos apresentados na primeira coluna correspondem aos pontos apresentados na fig. 1.
quadro I mostra que quando se utiliza um fluxo compósito como fonte de calor para evaporar um fluxo de trabalho líquido, disp 5e-se de calor a temperatura baixa para utilizar num processo a baixa temperatura.
QUADRO I
Ponta P( psia) X T H (Btu/lb) G
1 284,15 0,8750 60,99 - 6,87 0,4884
23 - AGUA 52,00 - 5,2958
24 - AGUA 89,13 - 5,2958
26 99 »31 0,6650 259,11 828,61 0,1637
29 98,31 0,9918 122,69 586,24 0,3724
30 1097,00 0,8750 882,96 1104,44 0,5116
31 1082,00 0,8750 1050,00 1223,75 0,5116
32 561,50 0,8750 916,72 1133,50 0,5116
33 546,50 0,8750 1050,00 1227,99 0,5116
34 283,65 0,8750 909,54 1131,30 0,5116
35 281,15 0,8750 415,00 807,68 0,5116
36 278,65 0,8750 363,27 773,31 0,5116
37 276,15 0,8750 267,11 708,69 0,5116
39 274,15 0,8750 126,69 66,80 0,5116
41 1097,00 0,8750 882,96 1104,44 0,4884
42 1090,00 0,8750 448,70 782,05 0,4884
43 274,15 0,8750 106,13 43,25 0,4884
44 1271,27 0,8750 121,69 61,08 1,0000
45 274,15 0,8750 116,64 55,30 1,0000
46 1261,27 0,8750 257,26 230,25 1,0000
50 1090,00 0,5000 406,74 530,48 0,9890
51 1090,00 0,5000 353,52 322,27 0,9890
52 1080,00 0,5000 267,11 157,14 0,9890
53 1070,00 0,5000 124,36 -6,52 0,9890
54 100,31 0,5000 121,69 -9,42 0,8730
55 99,31 0,5000 259,11 629,69 0,2375
- Çb -
Ponto P(psia) X T °F H (Btu/lb) G
56 100,31 0,5000 121,69 -9,42 0,9890
57 100,31 0,5000 121,69 -9,42 0,1160
61 2450,00 0,8750 348,27 387,50 1,0000
62 2475,00 0,8750 262,11 237,28 1,0000
63 2450,00 0,8750 400,00 611,00 1,0000
64 2435,00 0,8750 677,34 934,02 1,0000
65 2415,00 0,8750 1050,00 1211,18 1,0000
66 1097,00 0,8750 882,96 1104,44 1,0000
67 98,31 0,8750 121,52 444,74 0,4884
68 97,31 0,8750 101,13 394,63 0,4884
69 96,31 0,8750 60,00 -7,96 0,4884
70 1110,00 0,1342 263,07 192,86 0,5006
71 1100,00 0,1342 348,27 285,06 0,5006
74 1090,00 0,1342 348,27 285,06 0,5006
78 99,31 0,1342 259,11 188,66 0,5006
Quadro II fornece os parâmetros de eficácia do ciclo da fig. 1. 0 Quadro II mostra que este processo impede as elevadas perdas termodinâmicas que se verificam nos sistemas convencionais de máquinas a vapor que usam uma fonte de calor a alta temperatura no processo da evaporação a baixa temperatura.
QUADRO II
Parâmetros de eficácia do sistema proposto na fig. 1
Sistema por 1 lb de fluido de trabalho na entrada da turbina (102)
Saída da turbina (102)
Saída da turbina (104)
Saída da turbina (106)
Saída total das turbinas
Saída eléctrica total das turbinas
Saída da roda Pelton (119)
Saída grosseira global do sistema
Trabalho da bomba (123)
Trabalho da bomba (138)
Trabalho da bomba (122)
Trabalho da bomba (139)
Trabalho total das bombas
Saída líquida total do sistema
106,73 Btu
46,18 Btu
49,47 Btu
202,38 Btu
197,32 Btu
2,87 Btu
200,19 Btu
0,53 Btu
5,78 Btu
2,10 Btu
7,04 Btu
15Λ5 Btu
184,73 Btu
277,16 Btu
61,04 Btu
48,35 Btu
386,54 Btu
Entrada de calor no permutador de calor (101)
Entrada de calor no permutador de calor (103)
Entrada de calor no permut ador de calor (105)
Entrada de calor total
cálculo da amostra representado no Quadro II mostra que as perdas de energia livre que ocorrem na caldeira segundo a presente invenção são drasticamente reduzidas. Estes cálculos mostram que o ciclo da fig. 1, usando os parâmetros representados no Quadro I, tem um rendimento interno, ou rendimento da turbina, de 47,79$» em comparação com os 42,2% dos sistemas de máquinas a vapor com o ciclo de Rankine. Este aumen38 -
de energia livre na caldeira mais do que compensa quaisquer perdas de energia livre resultantes da parte de extracção de um fluxo de trabalho gasoso expandido e o arrefecimento deste fluxo de extracção combinando-o com um fluxo pobre para produzir um fluxo compósito. Assim, o rendimento de todo o ciclo é substancialmente aumentado.
Embora a presente invenção tenha sido descrita com referência a duas formas de realização preferidas, os entendidos na matéria compreenderão que são possíveis variações e modificações destas formas de realização. Por exemplo, pode usar-se no sistema mais de um fluxo de extracção. Analogamente, pode usar-se no sistema mais de um fluxo pobre. 0 número de fluxos de extracção e de fluxos pobres que qualquer entendido na matéria decida combinar determina o número de fluxos compósitos que fluem através do sistema. Além disso, como se descreveu, pode variar o numero de permutadores de calor, de reaquecedores, de bombas, de separadores por gravidade, de condensadores e de turbinas. Assim, pretende-se que as reivindicações anexas cubram todas as variantes e modificações consideradas dentro do espírito e do escopo da presente invenção.

Claims (25)

  1. Reivindicações
    1.- Processo para a realização de um ciclo termodinâmico, caracterizado por compreender as fases de:
    expandir um fluxo de trabalho gasoso para transformar a sua energia numa forma utilizável;
    retirar do fluxo de trabalho gasoso expandido um fluxo de extracção;
    combinar o fluxo de extracção com um fluxo pobre que tem um teor de um componente com ponto de ebulição mais elevado maior que o contido no fluxo de extracção, para formar um fluxo compósito;
    condensar o fluxo compósito para fornecer calor;
    separar o fluxo compósito para formar um fluxo líquido, formando o referido fluxo líquido uma porção do referido fluxo pobre que é combinada com o fluxo de extracção, e um fluxo de vapor;
    formar um fluxo líquido de entrada que se evapora a uma temperatura inferior à temperatura a que se condensa o referido fluxo compósito; e evaporar o referido fluxo de trabalho líquido de entrada usando o referido calor produzido por condensação do referido fluxo compósito, para formar o referido fluxo de trabalho gasoso.
  2. 2. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por incluir além disso a remoção de um fluxo gasto proveniente do fluxo de trabalho gasoso e a expansão do fluxo gasto para trans formar a sua energia numa forma utilizável e depois a combinação do fluxo gasto com o fluxo de trabalho líquido antes de o fluxo de trabalho líquido ser evaporado com calor transferido do fluxo compósito.
  3. 3. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o fluxo compósito ser expandido até uma pressão reduzida antes de ser separado.
  4. 4. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o fluxo de trabalho gasoso, antes de ser expandido, permutar calor com o fluxo de extracção e permutar calor com o fluxo gasto.
  5. 5. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o fluxo compósito, antes de ser expandido, permutar calor com o fluxo pobre e com o fluxo de trabalho líquido.
  6. 6. - Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por o fluxo compósito, depois de ser expandido, permutar calor com uma porção do fluxo compósito que ainda não foi expandido e permutar calor com o fluxo gasto antes da separação do fluxo compósito .
  7. 7. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o fluxo gasto, antes de se combinar com o fluxo de trabalho líquido, permutar calor com uma porção do fluxo de trabalho gasoso, e permutar calor com uma porção do fluxo de trabalho líquido.
  8. 8. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o fluxo pobre ser bombado para uma pressão mais elevada que a pressão do fluxo líquido formado a partir da separação do fluxo compósito e por o fluxo pobre, depois de ter sido bombado para uma pressão mais elevada, permutar calor com o fluxo compósito antes de se combinar com o fluxo de extracção para formar o fluxo compósito, e por o fluxo de trabalho líquido ser bombado para uma pressão mais elevada que a pressão do fluxo de trabalho líquido quando é primeiramente formado, e por este fluxo de tralho líquido a alta pressão permutar calor com o fluxo compósito e o fluxo gasto até que o calor transferido dos fluxos compósitos e gasto para o fluxo de trabalho líquido evapore o fluxo de trabalho líquido para formar o fluxo de trabalho gasoso.
    «Ί
  9. 9.- Processo para a realização de um ciclo termodinâmico, caracterizado por compreender as fases de:
    sobreaquecer um fluxo de trabalho gasoso;
    expandir o fluxo de trabalho gasoso sobreaquecido para transformar a sua energia numa forma utilizável;
    dividir o fluxo de trabalho gasoso expandido num fluxo de extracção e num fluxo gasto;
    reaquecer o fluxo gasto e expandir o fluxo gasto reaquecido;
    arrefecer o fluxo de extracção e o fluxo gasto, depois da expansão do fluxo gasto, transferindo o arrefecimento do fluxo de extracção e do fluxo gasto calor usado para sobreaquecer o fluxo de trabalho gasoso;
    combinar o fluxo de extracção com um fluxo pobre, com um teor mais elevado de um componente de ponto de ebulição elevado (v que o fluxo de extracção, para formar um fluxo compósito que se condensa numa faixa de temperaturas mais elevadas que as da faixa de temepraturas necessárias para evaporar um fluxo de trabalho líquido de entrada;
    condensar o fluxo compósito para proporcionar calor para evaporar o fluxo de trabalho líquido de entrada, transformando a evaporação do fluxo de trabalho líquido o fluxo de trabalho líquido num fluxo de trabalho gasoso, e para proporcionar calor para o fluxo pobre;
    arrefecer e condensar o fluxo compósito para pré-aquecer o fluxo de trabalho líquido;
    expandir o fluxo compósito para reduzir a pressão do fluxo compósito;
    evaporar parcialmente uma primeira porção do fluxo compósito expandido com calor transferido de um contrafluxo do mesmo fluxo compósito que ainda não foi expandido, e com calor transferido do referido fluxo gasto;
    separar o fluxo compósito parcialmente evaporado para formar um fluxo líquido, que produz o fluxo pobre, e um fluxo de vapor;
    combinar o fluxo de vapor com uma segunda porção de fluxo compósito expandido para formar um fluxo de trabalho pré-condensado, e condensar esse fluxo de trabalho pré-condensado para produzir o fluxo de trabalho líquido;
    bombar o fluxo pobre para uma pressão mais elevada que a pressão do fluxo líquido produzido a partir da separação do fluxo compósito parcialmente evaporado;
    aquecer o fluxo pobre a alta pressão com um contrafluxo do fluxo compósito formado por combinação do fluxo pobre com o fluxo de extracção;
    bombar o fluxo de trabalho líquido, formado a partir da condensação do referido fluxo de trabalho pré-condensado, até uma pressão mais elevada, formando um fluxo de trabalho líquido a alta pressão;
    pré-aquecer o fluxo de trabalho a alta pressão com calor transferido de um contrafluxo do fluxo compósito e do fluxo gasto; e evaporar o fluxo de trabalho líquido a alta pressão com calor transferido do fluxo compósito, produzindo o fluxo de trabalho gasoso.
  10. 10. - Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por incluir além disso a divisão do referido fluxo de extracção num primeiro fluxo de extracção e um segundo fluxo de extracção, a combinação do referido primeiro fluxo de extracção com o referido fluxo pobre para formar um primeiro fluxo compósito para produzir calor para evaporar o referido fluxo de trabalho de entrada e a combinação do referido primeiro fluxo compósito com o referido segundo fluxo de extracção, depois de o referido primeiro fluxo compósito ter fornecido calor para evaporar o referido fluxo de trabalho líquido de entrada, para formar o referido fluxo compósito que é usado para pré-aquecer o referido fluxo de trabalho líquido.
  11. 11. - Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por se utilizar calor proveniente do fluxo gasto para evaporar uma porção do fluxo de trabalho líquido, depois de o calor proveniente do fluxo gasto ter sido usado para sobreaquecer o fluxo de trabalho gasoso.
  12. 12. - Processo para a realização de um ciclo termodinâmico, caracterizado por compreender as fases de:
    sobreaquecer um fluxo de trabalho gasoso;
    expandir o fluxo de trabalho gasoso sobreaquecido para transformar a sua energia numa forma utilizável;
    dividir o fluxo de trabalho gasoso expandido num fluxo de extracção e num fluxo gasto;
    reaquecer o fluxo gasto e expandir o fluxo gasto reaquecido;
    arrefecer o fluxo de extracção e o fluxo gasto, depois da expansão do fluxo gasto, transferindo o arrefecimento do fluxo de extracção e do fluxo gasto calor usado para sobreaquecer o fluxo de trabalho gasoso;
    combinar o fluxo de extracção com um fluxo pobre com um teor de um componente de evelado ponto de ebulição maior que o do fluxo de extracção, para formar um fluxo compósito que se condensa numa faixa de temperaturas que são mais elevadas que as da faixa de temperaturas necessárias para evaporar um fluxo de trabalho líqui( do de entrada;
    ( condensar o fluxo compósito para produzir calor para evaporar o fluxo de trabalho líquido de entrada, transformando a evaporação do fluxo de trabalho líquido o fluxo de trabalho líquido no referido fluxo de trabalho gasoso;
    arrefecer e condensar o fluxo compósito para aquecer o fluxo pobre e para pré-aquecer o fluxo de trabalho líquido;
    prê-aquecer e evaporar parcialmente o fluxo de trabalho líquido com calor proveniente do fluxo gasto, depois de o calor proveniente do fluxo gasto ter sido usado para sobreaquecer o fluxo de trabalho gasoso;
    expandir o fluxo compósito para reduzir a pressão do fluxo compósito;
    evaporar parcialmente uma primeira porção do fluxo compósito expandido com calor transferido de um contrafluxo do mesmo fluxo compósito que não foi ainda expandido e com calor transferido do referido fluxo gasto;
    separaro fluxo compósito parcialmente evaporado num separador para formar um primeiro fluxo líquido que produz uma porção do fluxo pobre e um primeiro fluxo de vapor;
    combinar o primeiro fluxo de vapor com uma segunda porção do fluxo compósito expandido num depurador, fluindo do referido depurador um segundo fluxo líquido e um segundo fluxo de vapor;
    combinar o referido primeiro fluxo líquido proveniente do referido separador com o referido segundo fluxo líquido que flui do referido depurador para formar o referido fluxo pobre;
    bombagem do fluxo pobre até uma pressão mais elevada que a pressão do primeiro fluxo líquido que é produzido a partir da separação do fluxo compósito evaporado parcialmente;
    combinar o segundo fluxo de vapor que flui do referido depurador com uma terceira porção do fluxo compósito, depois de o fluxo compósito ter sido expandido, para formar um fluxo pré-condensado e condensar o fluxo pré-condensado para produzir o fluxo de trabalho líquido;
    aquecer o fluxo pobre, depois de bombado para uma pressão mais elevada, com calor proveniente de um contrafluxo do fluxo
    -Μ- compõsito que é formado por combinação do fluxo pobre com o fluxo de extracção;
    bombar o fluxo de trabalho líquido formado pela condensação do fluxo de trabalho pré-condensado, para uma pressão mais elevada;
    pré-aquecer o fluxo de trabalho líquido, depois de bombado para uma pressão mais elevada, com calor transferido de contrafluxos de fluxos de compósito e gasto; e evaporar o fluxo de trabalho líquido pré-aquecido com calor transferido dos fluxos compósito e gasto, produzindo o referido fluxo de trabalho gasoso.
  13. 13.- Aparelho para a realização de um ciclo termodinâmico, caracterizado por compreender:
    meios para expandir um fluxo de trabalho gasoso para transformar a sua energia numa forma utilizável;
    meios para retirar do referido fluxo de trabalho gasoso um fluxo de extracção;
    um primeiro misturador de fluxos para combinar o fluxo de extracção com um fluxo pobre, com um teor de um componente com um ponto de ebulição elevado maior que o contido no fluxo de extracção, para formar um fluxo compósito que se condensa ao longo de uma faixa de temperaturas que são superiores às da faixa de temperaturas necessárias para evaporar um fluxo de trabalho líquido de entrada;
    um permutador de calor para condensar o fluxo compósito para produzir calor para evaporar o fluxo de trabalho líquido de entrada para formar o fluxo de trabalho gasoso;
    um separador por gravidade para separar o fluxo compósito para formar um fluxo líquido, do qual uma porção forma o fluxo pobre, e um fluxo de vapor; e um condensador para formar o fluxo de trabalho líquido que é evaporado pelo fluxo compósito no permutador de calor.
  14. 14.- Aparelho de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por incluir além disso meios para expandir um fluxo gasto que é retirado do referido fluxo de trabalho gasoso para transformar a sua energia numa forma utilizável.
    (
  15. 15.- Aparelho de acordo com a reivindicação 14, caracteri zado além disso por incluir meios para expandir o fluxo compósito até uma pressão reduzida antes da separação do fluxo compósito.
  16. 16.- Aparelho de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por compreender além disso um segundo permutador de calor que permite que o fluxo de trabalho gasoso, antes da expansão, permute calor com o fluxo de extracção e um terceiro permutador de calor que permite que o fluxo de trabalho gasoso permute calor com o fluxo gasto.
  17. 17.-49-
    17. - Aparelho de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por compreender além disso um segundo permutador de calor que permite que o fluxo compósito, antes da expansão, permute calor com o fluxo pobre e permute calor com o fluxo de trabalho líquido para pré-aquecer o fluxo de trabalho líquido.
  18. 18. - Aparelho de acordo com a reivindicação 17, caracterizado por compreender além disso um terceiro permutador de calor que permite que uma primeira porção do fluxo compósito, depois de ser expandido, permute calor com o fluxo compósito antes de ele ser expandido e um quarto permutador de calor para permitir que se transfira calor para esta porção do fluxo compósito a partir do fluxo gasto antes desta porção do fluxo compósito ser separada.
  19. 19. - Aparelho de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por compreendre além disso um guinto permutador de calor que permite que o fluxo gasto permute calor com uma porção do fluxo de trabalho gasoso e um sexto e um sétimo permutador de calor que permitem que o fluxo gasto permute calor com uma porção do fluxo de trabalho líquido para pré-aquecer e evaporar o fluxo de trabalho líquido.
  20. 20. - Aparelho de acordo com a reivindicação 19, caracterizado por compreender além disso uma primeira bomba para bombar o fluxo pobre para uma pressão mais elevada que a pressão do fluxo líquido que é formado a partir da separação do fluxo compósito, permitindo o segundo permutador de calor que o fluxo pobre, depois de ser bombado para uma pressão mais elevada, permute calor com o fluxo compósito antes de se combinar com o fluxo de extracção para formar o fluxo compósito, uma segunda bomba para bombar o fluxo de trabalho líquido para uma pressão mais elevada que a pressão do fluxo de trabalho líquido que flui do referido condensador, permitindo o segundo permutador de calor que este fluxo de trabalho líquido, depois de bombado para uma pressão mais elevada, permute calor com o fluxo compósito para pré-aquecer o fluxo de trabalho líquido.
  21. 21.- Aparelho para a realização de um ciclo termodinâmico, caracterizado por compreender:
    ( um aquecedor para sobreaquecer um fluxo de trabalho gasoso;
    ( meios para expandir o fluxo de trabalho gasoso para transformar a sua energia numa forma utilizável;
    um primeiro separador de fluxos para dividir o fluxo de trabalho gasoso expandido num fluxo de extracção e num fluxo gasto;
    um reaquecedor para reaquecer o fluxo gasto e meios para expandir o fluxo gasto reaquecido depois do reaquecimento;
    um primeiro e um segundo permutadores de calor para arrefecer o fluxo de extracção e o fluxo gasto, depois da expansão do fluxo gasto, transferindo o arrefecimento do fluxo de extracção e do fluxo gasto calor usado para sobreaquecer o fluxo de trabalho gasoso;
    um primeiro misturador de fluxos para combinar o fluxo de extracção com um fluxo pobre que possui um teor de um componen te com elevado ponto de ebulição que o fluxo de extracção, para formar um fluxo compósito que se condensa ao longo de uma faixa de temperaturas que é mais elevada que a das temperaturas necessárias para evaporar um fluxo de trabalho líquido de entrada;
    um terceiro permutador de calor para condensar o fluxo compósito para fornecer calor para evaporar parcialmente o fluxo de trabalho líquido de entrada, transformando o fluxo de trabalho líquido num fluxo de trabalho gasoso:
    meios para expandir o fluxo compósito para reduzir a pressão do fluxo compósito;
    um quarto permutador de calor para evaporar parcialmente uma primeira porção do fluxo compósito expandido com o calor transferido de um contrafluxo do mesmo fluxo compósito que ainda não foi expandido, e um quinto permutador de calor para evaporar parcialmente esta porção do fluxo compósito expandido com calor transferido do referido fluxo gasto;
    um separador por gravidade para separar a primeira porção do fluxo compósito parcialmente evaporado para formar um primeiro fluxo líquido que forma uma porção do fluxo pobre, e um primeiro fluxo de vapor;
    um depurador para combinar o primeiro fluxo de vapor com uma segunda porção do sfluxo compósito expandido e para permitir que os segundos fluxos de vapor e de líquido fluam a partir do depurador;
    um segundo misturador de fluxos para combinar o referido primeiro fluxo líquido e o segundo fluxo líquido para formar o referido fluxo pobre;
    uma primeira bomba parà bombar o fluxo pobre para uma pressão mais elevada que a pressão do primeiro fluxo líquido que é produzido a partir da separação da primeira porção do fluxo compósito parcialmente evaporado.
    um terceiro misturador para combinar uma terceira porção do fluxo compósito expandido com o segundo fluxo de vapor, formando um fluxo de trabalho pré-condensado;
    um condensador para condensar o fluxo de trabalho pré-conden sado para produzir o fluxo de trabalho líquido; e ( uma segunda bomba para bombar o fluxo de trabalho líquido, depois de fluir do condensador, até uma pressão que é mais elevada que a pressão do fluxo de trabalho líquido depois de fluir do condensador, sendo o referido fluxo líquido a pressão elevada evaporado no terceiro permutador de calor para produzir o referido fluxo de trabalho gasoso.
  22. 22.- Aparelho de acordo com a reivindicação 21, caracterizado por incluir um segundo separador de fluxos para dividir o referido fluxo de extracção num primeiro fluxo de extracção e num segundo fluxo de extracção, combinando-se o referido primeiro fluxo de extracção com o referido fluxo pobre para formar um primeiro fluxo compósito para transferir calor para evaporar o referido fluxo de trabalho líquido de entrada, e um quarto misturador de fluxos para combinar o referido segundo fluxo de extracção com o referido primeiro fluxo compósito, depois de o referido primeiro fluxo compósito ter transferido calor para evaporar o referido fluxo de trabalho de entrada para formar o referido fluxo compósito usado para pré-aquecer o referido fluxo de trabalho líquido.
  23. 23. - Aparelho de acordo com a reivindicação 21, caracterizado por compreender além disso um sexto permutador de calor para permitir que o calor proveniente do fluxo compósito pré-aqueça os fluxos pobre e de trabalho líquido, e um sétimo e um oitavo per- ( mutadoresde calor para permitir que o fluxo gasto pré-aqueça e evaC pore uma porção do fluxo de trabalho líquido para formar parte do fluxo de trabalho gasoso.
  24. 24. - Aparelho para a realização de um ciclo termodinâmico, caracterizado por compreender;
    um aquecedor para sobreaquecer um fluxo de trabalho gasoso; meios para expandir o fluxo de trabalho gasoso para transformar a sua energia numa forma utilizável;
    um primeiro separador de fluxos para dividir o fluxo de trabalho gasoso num fluxo de extracção e num fluxo gasto;
    um reaquecedor para reaquecer o fluxo gasto e meios para expandir o fluxo gasto reaquecido;
    um primeiro e um segundo permutadores de calor para arrefecer o fluxo de extracção e o fluxo gasto, depois da expansão do fluxo gasto, transferindo o arrefecimento do fluxo de extracção e do fluxo gasto calor usado para sobreaquecer o fluxo de trabalho gasoso;
    um primeiro misturador de fluxos para combinar o fluxo de extracção com um fluxo pobre que tem um teor de um componente de elevado ponto de ebulição maior que o do fluxo de extracção, para formar um fluxo compósito que se condensa ao longo de uma faixa de temperaturas que é mais elevada que a faixa de temperaturas necessárias para evaporar um fluxo de trabalho líquido de entrada;
    um terceiro permutador de calor para condensar o fluxo compósito para produzir calor para evaporar parcialmente o fluxo de trabalho líquido de entrada, transformando o fluxo de trabalho líquido em parte de um fluxo de trabalho gasoso;
    um quarto permutador de calor para arrefecer e condensar o fluxo compósito para pré-aquecer o fluxo pobre e o fluxo de trabalho líquido;
    meios para expandir o fluxo compósito para reduzir a pressão do fluxo compósito;
    um quinto permutador de calor para evaporar parcialmente uma primeira porção do fluxo compósito expandido com calor transferido de um contrafluxo do mesmo fluxo compósito que não foi ainda expandido, e um sexto permutador de calor que permite que o calor transferido do referido fluxo gasto evapore parcialmente esta primeira porção do fluxo compósito expandido;
    um separador por gravidade para separar a primeira porção parcialmente evaporada do fluxo compósito para formar um primeiro ( fluxo líquido que forma uma porção do fluxo pobre, e um primeiro í fluxo de vapor;
    um depurador para combinar o primeiro fluxo de vapor com uma segunda porção do referido fluxo compósito expandido e para permitir que os segundos fluxos de vapor e de líquido fluam do depurador;
    um segundo misturador de fluxos para combinar o referido primeiro fluxo líquido e o referido segundo fluxo líquido para formar o referido fluxo pobre;
    uma primeira bomba para bombar o fluxo pobre até uma pres( são mais elevada que a pressão do primeiro fluxo líquido que é produzido pela separação da primeira porção do fluxo compósito parcialmente evaporado;
    um sétimo permutador de calor para transferir calor do fluxo gasto, depois de ele ter transferido calor para o fluxo de trabalho gasoso, para o fluxo de trabalho líquido para evaporar o fluxo de trabalho gasoso para formar parte do fluxo de trabalho gasoso e um oitavo permutador de calor que permite que o calor provenien te do fluxo gasto pré-aqueça o fluxo de trabalho líquido;
    um terceiro misturador de vapor para misturar o segundo fluxo de vapor com uma terceira porção do fluxo compósito expandido para formar um fluxo de trabalho pré-condensado;
    um condensador para condensar o fluxo de trabalho pré-conden sado para produzir o fluxo de trabalho líquido; e uma segunda bomba para bombar o fluxo de trabalho líquido, depois de ele ter fluido do condensador, para uma pressão mais elevada, antes de o fluxo de trabalho líquido ser pré-aquecido nos quarto e oitavo permutadores de calor.
  25. 25.- Aparelho de acordo com a reivindicação 22, caracterizado por os meios para a expansão do fluxo de trabalho gasoso superaquecido serem constituídos por uma turbina, os meios para expandir o fluxo gasto reaquecido ser uma turbina e os meios para expandir o fluxo compósito ser uma turbina hidráulica,
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