BRPI0619376A2

BRPI0619376A2 - sistema de ciclo térmico e sistema de geração de energia elétrica de ciclo térmico compósito

Info

Publication number: BRPI0619376A2
Application number: BRPI0619376-5A
Authority: BR
Inventors: Noboru Masada
Original assignee: Noboru Masada
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2006-10-12
Publication date: 2011-09-27
Also published as: AU2006321122B2; US20090165456A1; BRPI0619376B1; US7971424B2; AU2006321122A1; JP2007146766A; WO2007063645A1

Abstract

SISTEMA DE CICLO TéRMICO E SISTEMA DE GERAçãO DE ENERGIA ELéTRICA DE CICLO TéRMICO COMPOSITO.A presente invenção refere-se a um sistema de ciclo térmico de alto rendimento que inclui um compressor, uma primeira turbina, um primeiro e um segundo trocadores de calor 7 e 8, uma primeira bomba, e um expansor, e um gerador de energia de ciclo térmico compósito que usa o sistema de ciclo térmico de alto rendimento. O gás de trabalho Fg comprimido no compressor (O) aciona uma primeira turbina (S) e é, depois disso, esfriado pela passagem através de um lado de dispersão de calor de um primeiro trocador de calor (7), tendo então sua pressão elevada por uma primeira bomba (P) para formar o líquido de trabalho de alta pressão Fe, o líquido de trabalho de alta pressão sendo expandido e evaporado em um trocador (K) para formar o gás de trabalho Fg, o dito gás de trabalho Fg sendo aquecido com a passagem através de um lado de recepção de calor 82 do segundo trocador de calor antes de ser introduzido no compressor O. Um lado de dispersão de calor 81 do segundo trocador de calor compreende uma porção de dispersão de calor de uma máquina de refrigeração ou uma porção de dispersão de calor para calor perdido de uma máquina de aquecimento.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA DE CICLO TÉRMICO E SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA DE CICLO TÉRMICO COMPÓSITO".

CAMPO TÉCNICO

A presente invenção refere-se a um sistema de ciclo térmico in- cluindo um compressor, um expansor, um gerador de energia, um primeiro e um segundo trocadores de calor, e um sistema de geração de energia elétri- ca de ciclo térmico compósito. Mais particularmente, a presente invenção refere-se a um sistema de ciclo térmico e a um sistema de geração de ener- gia elétrica de ciclo térmico compósito apresentando tal sistema de ciclo térmico combinado com um sistema de ciclo Rankine. No sistema de ciclo térmico, o gás de trabalho comprimido em um compressor é resfriado e con- densado à medida que ele passa um lado de dispersão de calor do primeiro trocador de calor, depois de acionar a primeira turbina, tendo, por conseguin- te, sua pressão elevada por uma bomba para formar o líquido de trabalho de pressão elevada, que é expandido e evaporado em um expansor para for- mar o gás de trabalho, que é aquecido (cruzamento de calor) à medida que ele passa os lados de recepção de calor dos primeiro e segundo trocadores de calor, sendo então introduzido no compressor.

ANTECEDENTE DA TÉCNICA

Até agora foram providas muitas invenções de sistemas de ciclo térmico que são capazes de converter calor em trabalho ou energia elétrica com um alto rendimento, usando líquido de trabalho. Por exemplo, a Patente JP-A-54-27640 (Descrição Pública de Patente Japonesa) descreve um sistema de geração de energia elétrica que recupera energia térmica de gás queimado de alta temperatura. O sistema de geração de energia elétrica apresenta uma cal- deira de calor perdido instalada no lado a montante do percurso de fluxo de gás queimado de alta temperatura e um preaquecedor de fluido no lado a jusante do mesmo. A Patente JP-A-61-229905 ou GB 2 174 148 A descreve um processo de geração de força mecânica usando um ciclo binário compreendendo um primeiro ciclo usando dois fluidos imiscíveis e um segundo ciclo usando um fluido refrigerante. A Patente J-A-2-40007 descreve um sistema de força mo- triz onde um ciclo Rankine invertido e um ciclo Rankine são combinados.

Primeiramente, será descrito abaixo o rendimento térmico do sistema de ciclo térmico. Assumindo-se que enquanto uma substância de trabalho está executando um ciclo, isto é, passando por sucessivas mudan- ças e depois retornando para o estado anterior, ela recebe uma quantidade de calor Qh de uma fonte de alto calor em uma temperatura Th e perde uma quantidade de calor Qb de uma fonte de baixo calor em uma temperatura Tb para produzir trabalho L (assumido como sendo um valor expresso em ter- mos de qualidade de calor) para o lado de fora, a seguinte relação defende:

Qn = Qb + L...(Eq. 1)

Nas máquinas térmicas, o trabalho L é conferido ao lado de fora. Nos refrigeradores ou nas bombas de calefação, o trabalho L é conferido ao fluido de trabalho a partir do lado de fora. No caso de máquinas térmicas, é desejável que a quantidade de calor Qh recebida da fonte de alto calor seja mínima, e o trabalho L conferido ao lado de fora seja máximo. Conseqüen- temente, a seguinte equação é aplicada com relação ao rendimento térmico:

η=L.Qh...(Eq. 2)

A partir da equação acima, L pode ser reescrito como segue:

η=(Qh-Qb/Qh... (Eq. 3)

O rendimento térmico η de uma máquina térmica que executa um ciclo Carnot reversível pode ser expresso usando as temperaturas ter- modinâmicas Th°K e Tb°K, como segue:

η=(Th-Tb)/Th=1-(Tb/Th)... (Eq. 4)

Em geral, um aparelho que transfere calor de um objeto de baixa temperatura para um objeto de alta temperatura é chamado de "refrigera- dor". O refrigerador é um aparelho que é geralmente usado para fins de es- friar objetos. Enquanto isso, um aparelho que transfere calor de um objeto de baixa temperatura para um objeto de alta temperatura para o aquecimen- to do mesmo é chamado de "bomba de calefação". O nome "bomba de cale- fação" pode ser considerado um nome alternativo para refrigerador, quando o uso for trocado. A bomba de calefação é usada, por exemplo, para uma operação de aquecimento de um condicionador de ar para aquecimento e esfriamento. A relação entre a quantidade de calor Qb absorvida de um obje- to de baixa temperatura, a quantidade de calor Qh cedida a um objeto de alta temperatura, e o trabalho L (valor expresso em termos de quantidade de ca- lor) produzido do lado de fora para operar a bomba de calefação é expressa como segue:

Qh=Qb+L... (Eq. 5) Pode ser afirmado que, para o mesmo trabalho produzido, quan- to maior a quantidade de calor Qh cedida, maior a eficiência de custo da bomba de calefação. Conseqüentemente, a seguinte equação se refere ao coeficiente de desempenho da bomba de calefação:

e=Qn/L ... (Eq. 6)

A partir da Eq. 5 acima, L é:

L=Qh-Qb ... (Eq. 7)

Conseqüentemente, o coeficiente de desempenho ε é expresso como segue:

E=Qh/ (Qh-Qb)... (Eq. 8) Assumindo-se que a temperatura absoluta da fonte de baixo ca- lor é Tb0K e a temperatura absoluta da fonte de alto calor é Th°K, uma bom- ba de calefação que executa um ciclo Carnot reversível exibe o maior coefi- ciente de desempenho entre as bombas de calefação que operam entre du- as fontes de calor. O coeficiente de desempenho ε da bomba de calefação é:

e=Tb/(Tn-Tb) ...(Eq. 9)

O ciclo Carnot reversível consiste em duas mudanças isotérmi- cas e duas mudanças adiabáticas e exibe o rendimento térmico máximo en- tre todos os ciclos que operam entre as mesmas fontes de alto e baixo calor.

A figura 1 é um plano de disposição que mostra os elementos constituintes de um sistema de ciclo térmico incluindo um refrigerador con- vencional J. O gás refrigerante Fg com pressão elevada por um compressor C cede calor Qh a um fluido Z em um trocador de calor (condensador) 7, sendo assim condensado. Em seguida, o refrigerante é expandido através de uma válvula de expansão V. Conseqüentemente, o refrigerante tem sua temperatura diminuída e, ao mesmo tempo, absorve o calor Qb de um fluido Z2 em um trocador de calor 8 para esfriar o fluido Z2. Depois disso, o refrige- rante é retornado para o compressor C e então recirculado. Será discutido o cálculo térmico de um refrigerador disposto conforme mostrado na figura 1 e adaptado para usar amônia como um refrigerante. Para fins de simplicidade, é assumido que não há qualquer perda mecânica. A temperatura do refrige- rante é 1TO0C (T3) na saída do compressor C, 38°C (T2) na saída do con- densador 7, e -10°C (T) na saída do evaporador V. Por isso, o coeficiente de desempenho (coeficiente de desempenho teoricamente máximo) ε do refri- gerador no ciclo Carnot reversível é:

ε = Τ/(Τ2-Τ)

=[273.15+(-10)]/[38-(-10)] / 5,4 ... (Eq. 10)

No refrigerador mostrado na figura 1, se a entrada L (trabalho) do compressor C for assumida como sendo 1, o coeficiente de desempenho de εh da bomba de calefação (o coeficiente de desempenho do refrigerador +1)será:

εh = 5,4+1 = 6,4... (Eq. 11)

A figura 2 é um plano de disposição que mostra elementos cons- tituintes básicos de um sistema de ciclo térmico incluindo uma turbina a va- por (máquina térmica A). Vapor de alta temperatura e de alta pressão Fg gerado em uma caldeira B é suprido a uma turbina S para girá-la, gerando assim energia (trabalho) W. O vapor é esfriado para formar condensado Ee em um condensador Y que se comunica com a abertura de escapamento da turbina. O condensado Ee tem sua pressão elevada por uma bomba P e en- tão é suprido à caldeira B. No sistema de ciclo térmico mostrado na figura 2, quando o calor perdido Q2 do condensador Y não for utilizado, o trabalho W (valor expresso em termos de quantidade de calor) gerado da turbina S será conferido por:

W = Q-Q2... (Eq. 12)

O rendimento térmico ηs da turbina S será:

ηs =(Q-0Q) / Q ... (Eq. 13)

Na Eq. 12 e na Eq. 13, Q é a quantidade de calor retida pelo fluido de trabalho no lado de entrada da turbina, e Q2 é a quantidade de ca- lor emitida do fluido de trabalho no lado de saída da turbina, que é igual à quantidade de calor perdido descarregado do condensador Y.

O rendimento térmico η0 do sistema de ciclo térmico mostrado na figura 2, isto é, a relação η0 de trabalho W gerado da turbina S - quanti- dade de calor (quantidade de calor retida) Q introduzida no fluido de trabalho no sistema de ciclo térmico, é fornecido por:

ηo=W/Q ... (Eq. 14) Se W na Eq. 14 for substituído por WJ=Q-Q2 da Eq. 12, teremos: ηo=(Q-Q2)/Q - (Eq. 16) TO Este é igual ao ηδ acima mencionado. Portanto, a seguinte rela- ção sustenta que:

η0-η8 ... (Eq. 17) No sistema de ciclo térmico da figura 2, se uma parte ou todo Q3 do calor perdido Cfe do condensador Y for transferido para o condensado na entrada da caldeira por um preaquecedor de água de alimentação Y2, isto é,

0≤Q3≤Q2...(Eq. 18) e se, ao mesmo tempo, a quantidade de calor introduzida na caldeira for re- duzida pelo mesmo montante que a quantidade de calor transferida do con- densador Y, então, a quantidade de calor introduzida da caldeira será Q-Q3. A quantidade de calor retida pelo vapor Fg na entrada da turbina S será for- necida por:

Quantidade de calor introduzida da caldeira (Q-Q3) +(quantidade de calor Q3 transferida por Y2)=Q ... (Eq. 19) A quantidade de calor retida pelo vapor Fg na saída da turbina S pode ser considerada como sendo Q2. Por isso, a energia W (valor expresso em termos de quantidade de calor) gerada da turbina S é:

W-Q-Q2 ... (Eq. 20) Conseqüentemente, o rendimento térmico η8 da turbina S é:

ηs=(Q-Q2)/Q ...(Eq. 21)

Portanto, o rendimento térmico η8 da turbina S é igual como no caso onde o calor perdido Q2 do condensador Y não é utilizado.

No sistema de ciclo térmico da figura 2, se uma parte ou todo Q3 do calor perdido Q2 do condensador Y for transferido para o condensado na entrada da caldeira pelo preaquecedor de água de alimentação Y2 e se, ao mesmo tempo, a quantidade de calor introduzida da caldeira for reduzida pelo mesmo montante que a quantidade de calor Q3 transferida do conden- sador Y, isto é, (Q-Q3), o rendimento térmico η do sistema de ciclo térmico mostrado na figura 2, isto é, a relação do trabalho W gerado da turbina S, isto é, W=Q-Q2 ... (Eq. 22), - a quantidade de calor introduzida do sistema de ciclo térmico, isto é, (Q-Q-3), será expresso como segue: η=W/(Q-Q3)=(Q-Q2)/(Q-Q3)... (Eq. 23)

No sistema de ciclo térmico da figura 2, se o calor perdido Q2 do condensador Y não for absolutamente utilizado, isto é, Q3=O, a Eq. 23 acima se tornará:

η=(α-02)/0 ... (Eq. 24)

No caso de 0<Q3<Q2 ... (Eq. 18), teremos:

η=(0-02)/(0-03) ... (Eq. 25)

No caso da Eq. 25, o denominador é menor do que aquele na Eq. 24 por -Q3, e, conseqüentemente, o valor de η se tornará corresponden- temente maior do que na Eq. 24.

Se todo o Q2 do calor perdido do condensador for transferido para o condensado no lado a montante ou a jusante da bomba P, teremos:

Q2=Q3 ... (Eq. 26) Conseqüentemente, o rendimento térmico η do sistema de ciclo

térmico é:

η=1 ... (Eq. 27)

No sistema de ciclo térmico da figura 2, o rendimento térmico η do mesmo no caso de 0<Q3<Q2... (Eq. 18) é, conforme mencionado acima, fornecido por

η=(0-α2)/(0-03)... (Eq. 28) Se o denominador e o numerador da Eq. 28 forem, cada qual, divididos por Q, teremos:

^[(Q-QzyQMQ-QsVQ] - (Eq. 29) A Eq. 29 pode ser modificada como segue: η=[{Q-Q2)/Q]/[1-(Q3ZQ)] - (Eq. 30) Se η8=(Q-Q2)/Q ··· (Eq. 21) for inserida na Eq. 30, teremos:

η=ηs/(1-Q3/q) - (Eq. 32) Na presente invenção, mesmo o calor apresentando um baixo valor de utilidade, tal como calor perdido, é levado para o sistema de ciclo térmico usando uma bomba de calefação, e um rendimento de força é extra- ído por uma turbina no sistema de ciclo térmico. O sistema de ciclo térmico de acordo com a presente invenção usa cruzamento de calor para extrair energia da turbina em alto rendimento. Quando todo o calor perdido Q2 do condensador Y for utilizado, o rendimento térmico η do sistema de ciclo tér- mico será η=1 de acordo com a Eq. 27.

Como será entendido a partir da Eq. 32 acima, o rendimento térmico η do sistema de ciclo térmico será determinado pelo rendimento térmico η8 da turbina S e pela quantidade de calor Q3 transferida do calor perdido do condensador Y para o condensado no lado a montante e a jusan- te da bomba P. À medida que Q3 aumenta para se aproximar de Q, o deno- minador da Eq. 30, isto é, (I-Q3/Q) diminui. Conseqüentemente, η aumenta. É difícil aumentar a relação de cruzamento de calor Q3ZQ nos ciclos térmicos a não ser no ciclo de refrigeração. A razão para isto é a de que é impossível aumentar a diferença de temperatura entre uma fonte de alto calor e uma fonte de baixo calor para transferência de calor (cruzamento de calor). Além disso, a Eq. 27 não pode ser realizada nos ciclos térmicos a não ser no ciclo de refrigeração.

Referência de Patente 1: JP-A-54-27640 (Descrição Pública de Patente Japonesa)

Referência de Patente 2: JP-A-61-229905 (Descrição Pública de Patente Japonesa)

Referência de Patente 3: GB2.174.148A Referência de Patente 4: JP-A-2-40007 (Descrição Pública de Patente Japonesa)

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO PROBLEMA A SER SOLUCIONADO PELA INVENÇÃO Um objetivo da presente invenção é o de prover um sistema de ciclo térmico de alto rendimento incluindo um compressor, um expansor, um dito primeiro e um dito segundo trocadores de calor e um sistema de gera- ção de energia elétrica de ciclo térmico compósito usando o sistema. Outro objetivo da presente invenção é o de prover um sistema de ciclo térmico que seja capaz de usar um lado de dispersão do segundo trocador de calor do sistema de ciclo térmico como uma câmara de baixa temperatura, tal como uma câmara a ser condicionada por ar, um refrigerador, ou uma câmara de formação de gelo, ou uma porção de dispersão para calor perdido de vários tipos. Outro objetivo da presente invenção é o de prover um sistema de ciclo térmico de alto rendimento adaptado para transferir calor perdido ou calor real para fluido de trabalho e para usar o calor. Outro objetivo da presente invenção é o de aperfeiçoar o rendimento térmico de um sistema de ciclo térmico compósito formado pela combinação de uma turbina a vapor e üm refrigerador. Outro objetivo da presente invenção é o de aperfeiçoar o ren- dimento térmico do sistema de geração de energia elétrica de ciclo térmico pela transferência (cruzamento de calor) do calor perdido do vapor de saída da turbina a vapor para o fluido de trabalho no lado de entrada da turbina a vapor. Outro objetivo da presente invenção é o de prover um sistema de ci- cio térmico que seja capaz de formar uma fonte de baixo calor pela combi- nação de um lado de recepção de calor (lado de absorção de calor) do sis- tema de ciclo térmico com um lado de dispersão de calor de uma máquina de refrigeração, a fonte de baixo calor apresentando uma dita temperatura extremamente baixa de modo a liqüefazer um gás, tal como LNG ou LPG.

Um objetivo adicional da presente invenção é o de converter ca- lor perdido de baixa temperatura em um ciclo Rankine em uma produção térmica de alta temperatura. Um outro objetivo adicional da presente inven- ção é o de prover um sistema de ciclo térmico onde uma saída de refrigera- ção de um refrigerador é usada como uma fonte de baixo calor de um con- densador (esfriador) instalado na saída da turbina em um ciclo Rankine, e o refrigerador é operado como uma bomba de calefação, permitindo assim que o calor emitido do condensador tenha sua temperatura elevada e seja supri- do como uma produção térmica para o lado de fora. Na presente invenção, a relação de cruzamento de calor Q3/Q é aumentada com o uso de um ciclo de refrigeração, de modo que η=1 ... (Eq. 27) seja realizado em η=ns/(1-Q3/Q) ... (Eq. 32), ou η seja formado tão próximo de 1 quanto possível. Na presen- te invenção, o ciclo de refrigeração apresenta uma turbina instalada a mon- tante de um condensador em um ciclo de refrigeração no qual um refrigeran- te é comprimido por um compressor. Outros objetivos da presente invenção se tornarão evidentes na seguinte descrição da invenção.

MEIOS PARA SUPERAR O PROBLEMA

Um sistema de ciclo térmico (sistema de ciclo básico) de acordo com a presente invenção, inclui um compressor, uma primeira turbina, um primeiro e um segundo trocadores de calor, uma primeira bomba, e um ex- pansor. O gás de trabalho comprimido no compressor (C) aciona a primeira turbina (S). Depois disso, o gás de trabalho é esfriado pela passagem atra- vés do lado de dispersão de calor (71) do primeiro trocador de calor (7) e então elevado na pressão pela bomba (P) para formar líquido de trabalho de alta pressão (Fe). O líquido de trabalho de alta pressão (Fe) é expandido e evaporado no expansor (Κ, V) para formar o gás de trabalho (Fg). O gás de trabalho (Fg) é aquecido à medida que ele passa o lado de recepção de ca- lor (82) do segundo trocador de calor sendo, em seguida, introduzido no compressor. O lado de dispersão de calor (81) do segundo trocador de calor é compreendido de uma porção de dispersão de calor da máquina de refri- geração ou de uma porção de dispersão de calor perdido de uma máquina de aquecimento (30).

O sistema de ciclo térmico da presente invenção pode incluir as seguintes características: (1) o expansor é uma turbina hidráulica de reação (K); e o fluido de trabalho de alta pressão (Fe) aciona a turbina hidráulica de reação (K) para produzir trabalho (W2), e é expandido e evaporado para for- mar o gás de trabalho (Fg); (2) o gás de trabalho (Fg) é aquecido à medida que ele passa um lado de recepção de calor (72) do primeiro trocador de calor e um lado de recepção de calor (82) do segundo trocador de calor, sendo então introduzido no compressor C; (3) a máquina de refrigeração é usada para um condicionador de ar, um refrigerador, ou um formador de ge- lo; (4) o líquido (Fe) é expandido è evaporado através da válvula de expan- são (V) para formar o gás de trabalho (Fg); (5) a porção de dispersão de ca- lor perdido da máquina de aquecimento (30) é uma porção de dispersão de calor para dispersar o calor perdido de um sistema de esfriamento de lubrifi- cante do compressor, da primeira turbina, do primeiro gerador de energia (G), e de um motor de acionamento de compressor; e (6) o sistema de ciclo térmico inclui um terminal de saída (11) para suprir energia elétrica para o lado de fora do primeiro gerador de energia (G) que é acionado pela primeira turbina (S); e um fio condutor (12) para eletricamente conectar o primeiro gerador de energia (G), o terminal de saída (11), um motor (M) para acionar o compressor, e um motor (M2) para acionar a primeira bomba.

O sistema de ciclo térmico compósito da presente invenção com- preende: um refrigerador (J) incluindo um compressor, um primeiro e Um segundo trocadores de calor, e um expansor; e uma máquina a vapor (A) incluindo uma caldeira, uma segunda turbina, um condensador, um terceiro gerador de energia (G3) acionado pela segunda turbina, e uma segunda bomba. O gás de trabalho comprimido no compressor (C) é resfriado à me- dida que ele passa um lado de dispersão de calor (71) de um primeiro troca- dor de calor (7) para formar o líquido de trabalho (Fe), que é expandido em uma válvula de expansão (V) para formar o gás de trabalho (Fg), que é a- quecido à medida que ele passa um lado de recepção de calor (82) de um segundo trocador de calor, sendo então introduzido no compressor. O vapor (Eg) gerado por uma caldeira (B) é esfriado à medida que ele passa um lado de dispersão de calor (81) de um condensador (Y), depois de acionar uma segunda turbina (S2), e tem a pressão aumentada por uma segunda bomba (P2) para formar o condensado de alta pressão (Ee), que é aquecido à medi- da que ele passa um lado de recepção de calor (73) do primeiro trocador de calor, sendo então trazido de volta para a caldeira (Β). O lado de recepção de calor do condensador (Y) é compreendido do lado de recepção de calor (82) do segundo trocador de calor. O primeiro trocador de calor pode com- preender uma porção de receptor de calor (74) para água de alimentação. O sistema de ciclo térmico compósito da presente invenção com- preende: um sistema de ciclo térmico (sistema de ciclo básico) incluindo um compressor, uma primeira turbina, um primeiro trocador de calor, uma pri- meira bomba, um expansor, e um primeiro gerador de energia (G); e uma máquina a vapor incluindo uma caldeira, uma segunda turbina, um terceiro gerador de energia (G3), um condensador, e uma segunda bomba. O gás de trabalho comprimido em um compressor (C) é resfriado à medida que ele passa um lado de dispersão de calor (71) de um primeiro trocador de calor (7), depois de acionar uma primeira turbina (S), tendo então sua pressão aumentada por uma primeira bomba ^P) para formar um líquido de trabalho de alta pressão (Fe), que é expandido e evaporado em um expansor (Κ, V) para formar o gás de trabalho (Fg), que é introduzido no compressor. O va- por (Eg) gerado por uma caldeira (B) é resfriado por um condensador (Y), depois de acionar uma segunda turbina (82), e tem sua pressão aumentada por uma segunda bomba (P2) para formar condensado de alta pressão (Ee), que é trazido de volta para a caldeira (Β). O gás de trabalho é aquecido à medida que ele passa um lado de recepção de calor (72) do primeiro troca- dor de calor e um lado de recepção de calor (82) do condensador (Y), sendo então introduzido no compressor C.

O sistema de ciclo térmico da presente invenção pode incluir as seguintes características: (1) o condensador de alta pressão (Ee) é aquecido em um segundo lado de recepção de calor (73) do primeiro trocador de calor ou um lado de recepção de calor (83) do condensador (Y), antes de ser tra- zido de volta para a caldeira (B); e (2) o sistema de ciclo térmico adicional- mente compreende: o primeiro gerador de energia (G); um terceiro gerador de energia (G3) para converter o rendimento de trabalho da segunda turbina (S2) da máquina a vapor em energia elétrica; um terminal de saída (11) para suprir energia elétrica para o lado de fora; e um fio condutor para eletrica- mente conectar o primeiro gerador de energia, o terceiro gerador de energia, e o terminal de saída (11). O sistema de suprimento de energia elétrica da presente invenção é caracterizado pelo fato de a energia elétrica gerada pe- lo sistema de geração de energia elétrica de ciclo térmico compósito poder ser distribuída através de linhas de força para uma área de consumo de e- nergia a 500 km ou mais distante.

O sistema de ciclo térmico compósito da presente invenção com- preende uma combinação de: um primeiro sistema de ciclo térmico incluindo um compressor, uma primeira turbina, um primeiro e um segundo trocadores de calor, uma primeira bomba, e um expansor; e um segundo sistema de ciclo térmico incluindo um segundo compressor, um condensador, um se- gundo expansor e um evaporador. No sistema de ciclo térmico compósito, o gás de trabalho comprimido em um compressor (C) é resfriado à medida que ele passa um lado de dispersão de calor (71) de um primeiro trocador de calor (7), depois de acionar uma primeira turbina (S), e tem então sua pres- são aumentada pela primeira bomba (P) para formar o líquido de trabalho de alta pressão (Fe), que é expandido e evaporado em um expansor (V) para formar o gás de trabalho (Fg), que é aquecido à medida que ele passa um lado de absorção de calor (82) de um segundo trocador de calor (8), sendo então trazido de volta para o compressor. Um gás refrigerante (8g) compre- endido em um segundo compressor (C2) é esfriado à medida que ele passa um condensador (81) para formar um líquido refrigerante (8e), que é expan- dido em um segundo expansor (V2) e evaporado em um lado de absorção de calor (92) de um evaporador (9), enquanto absorve calor em um lado de dis- persão de calor (91) do evaporador (9), de modo a formar um gás refrigeran- te (8g), que é trazido de volta para o segundo compressor (C2). O lado de dispersão de calor (81) do segundo trocador de calor compreende o conden- sador.

O sistema de geração de energia elétrica de ciclo térmico com- pósito da presente invenção compreende: um sistema de ciclo térmico inclu- indo um primeiro compressor, uma primeira turbina, um primeiro gerador de energia, um primeiro e um segundo trocadores de calor, uma primeira bom- ba, um expansor, e um primeiro gerador de energia; e uma turbina a gás do tipo aberto incluindo um segundo compressor, uma câmara de combustão, uma segunda turbina, e um terceiro gerador de energia. Neste sistema de geração de energia elétrica, o gás de trabalho (Fg) comprimido em um com- pressor (C) é resfriado à medida que ele passa um lado de dispersão de ca- lor (71) de um primeiro trocador de calor (7), depois de acionar uma primeira turbina (S), e tem então sua pressão aumentada por uma primeira bomba (P) para formar um líquido de trabalho de alta pressão (Fe), que é expandido e evaporado em um expansor (V) para formar um gás de trabalho (Fg), que é aquecido à medida que passa um lado de recepção de calor (72) do pri- meiro trocador de calor e um lado de recepção de calor (82) do segundo tro- cador de calor, sendo então trazido de volta para o compressor (C). O ar de entrada (34) é comprimido em um segundo compressor (C2) e é suprido a uma câmara de combustão (35) na qual o combustível é misturado com ar comprimido e é inflamado para combustão para gerar gás de combustão. Depois do acionamento da segunda turbina (S2)1 o gás de combustão tem a temperatura reduzida na medida em que ele passa um lado de dispersão de calor (81) do segundo trocador de calor e é descarregado como um gás queimado (36) na atmosfera, de tal modo que o primeiro gerador de energia (G) e o terceiro gerador de energia (G3) sejam acionados pelas primeira e segunda turbinas (S) e (S2).

A instalação de calor útil de geração de energia da presente in- venção compreende: um sistema de ciclo térmico incluindo um compressor, uma primeira turbina, um gerador de energia acionado pela primeira turbina, um primeiro e um segundo trocadores de calor, uma primeira bomba, e um expansor e uma caldeira elétrica. Nesta instalação de calor útil de geração de energia, o gás de trabalho (Fg) comprimido em um compressor (C) é es- friado à medida que ele passa um lado de dispersão de calor (71) de um primeiro trocador de calor (7), depois de acionar uma primeira turbina (S), tendo então sua pressão aumentada por uma primeira bomba (P) para for- mar o líquido de trabalho de alta pressão (Fe), que é expandido e evaporado em um expansor (V) para formar um gás de trabalho (Fg), que é aquecido à medida que ele passa um lado de recepção de calor (82) do segundo troca- dor de calor, e é trazido de volta para o compressor. A água (U) para calor útil é aquecida em um lado de recepção de calor (73) do primeiro trocador de calor (7) sendo, em seguida, adicionalmente aquecida pela caldeira elétrica (15) a uma temperatura predeterminada, e a energia elétrica gerada por um gerador de energia (G) acionado pela primeira turbina é suprida para a cal- deira elétrica (15). Preferivelmente, o gás de trabalho é aquecido à medida que ele passa o lado de recepção de calor (72) do primeiro trocador de calor (7) antes de passar o lado de recepção de calor (82) do segundo trocador de calor, e um lado de dispersão de calor (81) do segundo trocador de calor é compreendido de uma câmara de baixa temperatura ou uma porção de dis- persão de calor para calor perdido.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A figura 1 é um plano de disposição que mostra os elementos constituintes de um refrigerador convencional.

A figura 2 é um plano de disposição que mostra os elementos constituintes básicos de uma máquina térmica convencional incluindo uma turbina, isto é, um sistema de ciclo térmico que executa um ciclo Rankine.

A figura 3 é um plano de disposição de um sistema de ciclo tér- mico de acordo com uma primeira concretização da presente invenção.

A figura 4 é um plano de disposição de um sistema de ciclo tér- mico de acordo com a segunda concretização da presente invenção.

A figura 5 é um plano de disposição de um sistema de ciclo tér- mico de acordo com uma terceira concretização da presente invenção.

A figura 6 é um plano de disposição de um sistema de geração de energia elétrica de ciclo térmico compósito de acordo com uma quarta concretização da presente invenção.

A figura 7 é um plano de disposição de um sistema de geração de energia elétrica de ciclo térmico compósito de acordo com uma quinta concretização da presente invenção.

A figura 8 é um plano de disposição do sistema de geração de energia elétrica de ciclo térmico compósito de acordo com uma sexta con- cretização da presente invenção.

A figura 9 é um plano de disposição de um sistema de geração de energia elétrica de ciclo térmico compósito de acordo com uma sétima concretização da presente invenção. A figura 10 é um plano de disposição de um sistema de ciclo térmico compósito de acordo com uma oitava concretização da presente in- venção.

A figura 11 é um plano de disposição de um sistema de ciclo térmico compósito de acordo com uma nona concretização da presente in- venção.

A figura 12 é um plano de disposição de um sistema de ciclo térmico compósito de acordo com uma décima concretização da presente invenção. EXPLANAÇÃO DAS LISTAGENS DE REFERÊNCIA

A: máquina térmica (ciclo Rankine)

B: caldeira

C: compressor

ε: coeficiente de desempenho

η: rendimento térmico do sistema de ciclo térmico

ηs: rendimento térmico da turbina, conforme usada isolada- mente

Eg: vapor

Ee: água (água de alimentação ou condensado)

Fg: gás refrigerante

Fe: líquido refrigerante

G1,G2, G3: gerador elétrico

J: sistema de ciclo térmico (refrigerador, bomba de calefação)

K: turbina a água

L, L2 trabalho (entrada)

N: pilha termelétrica

M, M2: motor

P, P2: bomba

Q, Q2, Q3, Q4: quantidade de calor

S, S2: turbina

U: água

V: válvula de expansão

W, W2, W3: trabalho (rendimento)

Y: condensador

8: trocador de calor

9: evaporador

15: caldeira elétrica

30: máquina de aquecimento

31: corpo da máquina de aquecimento

32: turbina a gás do tipo aberto

33: conduto (dispositivo de processamento) 34: ar de entrada

35: câmara de combustão

36: gás queimado

41: sistema de esfriamento

71,81,91: lado de dispersão de calor

72,73,74, 82, 83: lado de recepção de calor (lado de absorção de calor)

91,93: eixo

92: lado de absorção de calor

94 conector

MELHOR MODO DE SE EXECUTAR A INVENÇÃO

A figura 3 é um plano de disposição de um sistema de ciclo tér- mico J de acordo com uma primeira concretização da presente invenção. O sistema de ciclo térmico J apresenta uma disposição na qual uma turbina S e outros componentes são inseridos em um refrigerador incluindo um com- pressor C e um condensador. O fluido de trabalho (gás refrigerante Fg) comprimido no compressor C aciona a turbina S para distribuir trabalho W. Depois disso, o fluido de trabalho é esfriado e liqüefeito em um lado de dis- persão de calor 71 de um trocador de calor 7. Uma bomba P conectada à saída do trocador de calor 7 suga o líquido de trabalho Fe e diminui a con- trapressão da turbina S, aumentando assim o rendimento da turbina W e elevando a pressão do líquido de trabalho Fe. O líquido de trabalho Fe com uma maior pressão aciona uma turbina a água de reação K para distribuir o trabalho W2. Ao mesmo tempo, o líquido de trabalho Fe é expandido pela turbina hidráulica de reação K que opera como uma válvula de expansão.

Desse modo, o líquido de trabalho Fe evapora para formar o gás de trabalho (gás refrigerante Fg). O gás de trabalho Fg é aquecido em um lado de ab- sorção de calor 72 do trocador de calor 7 e adicionalmente aquecido em um trocador de calor 8 antes de ser introduzido no compressor C.

No sistema de ciclo térmico J da figura 3, o trocador de calor 7 libera calor do escapamento (gás refrigerante Fg) da turbina S para aquecer o gás de trabalho na saída da turbina hidráulica de reação K. No lado de dispersão de calor 71 do trocador de calor 7, o escapamento da turbina S é esfriado e condensado a líquido. O lado de dispersão de calor 71 do trocador de calor 7 aumenta a diferença de temperatura entre o fluido de trabalho na entrada da turbina Seo fluido de trabalho na saída da mesma com o esfri- amento do gás refrigerante Fg da turbina S1 aumentando assim a saída da turbina. O calor perdido Cfe do fluido de trabalho na saída da turbina S é transferido (cruzamento de calor) para o fluido de trabalho no lado a jusante da turbina a água de reação Κ. O líquido de trabalho Fe tem sua pressão elevada pela bomba P e é provido com uma energia potencial. A energia potencial do líquido de trabalho Fe é recuperada pela turbina a água de rea- ção K e é expandida para formar um gás. Em um caso onde a potência elé- trica do compressor é 10.000 kW, conforme mostrado na figura 7, a energia potencial recuperada pela turbina a água de reação K perfaz 45 kW. Por is- so, com a potência elétrica do compressor em cerca de 10.000 kW, a influ- ência devido a uma mudança no rendimento térmico poderá ser considerada como sendo pequena mesmo que uma válvula de expansão de custo relati- vamente baixo V seja usada como a turbina a água de reação K, conforme mostrado na figura 4.

No sistema de ciclo térmico da figura 3, Cfe é a quantidade de calor transferida do lado de dispersão de calor 71 para o lado de recepção de calor 72 do trocador de calor 7, isto é, a quantidade de calor transferida (cruzamento térmico) do fluido de trabalho no lado de saída da turbina S pa- ra o fluido de trabalho no lado de entrada do compressor C, e Q4 é a quanti- dade de calor transferida do lado de dispersão de calor 81 (lado de fora) pa- ra o lado de absorção de calor 82 do trocador de calor 8. O rendimento W do sistema de ciclo térmico (o rendimento da turbina S) é fornecida por:

(L+Q4)... (Eq. 33)

Um primeiro gerador G para converter W em energia elétrica é eletricamente conectado através de um cabo condutor 12 a um terminal de saída 11.

No sistema de ciclo térmico da figura 3, o lado de dispersão de calor 81 do trocador de calor 8 compreende uma porção de dispersão de calor de uma máquina refrigerante ou uma porção de dispersão de calor perdido de uma máquina de aquecimento. Por exemplo, a máquina de refri- geração, que é um condicionador de ar, um refrigerador, ou uma máquina de formação de gelo, inclui: um trocador de calor consistindo em um compres- sor de refrigerante e um lado de dispersão de calor 81 do trocador de calor 8 para esfriar um refrigerante comprimido; uma válvula de expansão; e uma porção de absorção de calor. A porção de absorção de calor diminui a tem- peratura na câmara onde a porção de absorção de calor é condicionada a ar, em uma câmara de refrigeração, ou uma em câmara de formação de ge- lo. O lado de dispersão de calor 81 do trocador de calor 8 pode compreender uma porção de calor perdido da máquina de aquecimento 30.

A figura 4 é um plano de disposição de um sistema de ciclo tér- mico J de acordo com a segunda concretização da presente invenção na qual a turbina a água de reação K do sistema de ciclo térmico de acordo com a primeira concretização da presente invenção é meramente modificada para formar uma válvula de expansão V. O plano de disposição também mostra um exemplo de temperatura e pressão. O escapamento de uma tur- bina S é esfriado a 0°C (T4) pelo vapor refrigerante em -10°C (T2) em um condensador (o lado de dispersão de calor 71 do trocador de calor 7). De- pois disso, a pressão do refrigerante é elevada de 4,39 kgf/cm2abs para 15,04 kgf/2abs por uma bomba ρ e, por conseguinte, liqüefeita. T4 é a tempe- ratura do refrigerante na saída do condensador (lado de dispersão de calor 71 do trocador de calor) na figura 4. O refrigerante com a pressão elevada pela bomba P é expandido e evaporado através da válvula de expansão V, e recebe calor de Q3 no lado de absorção de calor 72 do trocador de calor 7 para alcançar uma temperatura de -10°C (T2). A temperatura de entrada da turbina é de 100°C (T3), e a temperatura de refrigerante de saída do conden- sador é 0°C (T4). Por isso, a eficiência da turbina η5 no ciclo Carnot é:

ns=(T3-T4)/T3

=(100-0)/(273,15+110)0,28 ... (Eq. 34) O lado de dispersão de calor 81 do trocador de calor 8 no siste- ma de ciclo térmico da figura 4 compreende uma porção de dispersão de calor perdido da máquina de aquecimento 30. Especificamente, a máquina de aquecimento 30 apresenta: um corpo de trocador de calor 31; um troca- dor de calor consistindo em um lado de dispersão de calor 81 do trocador de calor 8 para descarregar calor perdido do gás queimado; e um dispositivo de processamento de gás queimado ou um conduto 33. Entretanto, como no caso da figura 3, o lado de dispersão de calor 81 do trocador de calor 8 no sistema de ciclo térmico da figura 4 pode compreender uma porção de dis- persão de calor de uma máquina de refrigeração.

A figura 5 é um plano de disposição do sistema de ciclo térmico J de acordo com a terceira concretização da presente invenção. No sistema de ciclo térmico mostrado na figura 5, o. lado de dispersão de calor 81 do trocador de calor 8 no sistema de ciclo térmico de acordo com a primeira 1,1 concretização (Figura 3) da presente invenção é modificado para formar uma porção de dispersão de calor para dispersar o calor perdido de um instru- mento compreendendo o próprio sistema de ciclo térmico, tal como o calor perdido de um sistema de esfriamento 41 de um compressor ou uma turbina ou calor perdido de um sistema de lubrificação (não mostrado). O calor per- dido de esfriamento do compressor inclui calor perdido do óleo de esfriamen- to ou lubrificante para o compressor ou calor perdido gerado devido ao esfri- amento do corpo do compressor. O resto da estrutura da concretização da figura 5 é igual àquele do sistema de ciclo térmico de acordo com a primeira concretização da figura 3; por isso, a descrição é omitida. No sistema de ci- clo térmico da concretização da figura 5, o calor perdido de um instrumento, isto é, um componente do sistema, é recuperado pelo trocador de calor 8, e a quantidade de calor introduzida no sistema de ciclo térmico é reduzida pelo montante recuperado.

A figura 6 é um plano de disposição de um sistema de ciclo tér- mico compósito de acordo com a quarta concretização da presente inven- ção. O sistema de ciclo térmico compósito da figura 6 compreende: um refri- gerador (bomba de calefação) J incluindo um compressor C, um primeiro e um segundo trocadores de calor 7 e 9, e um expansor V; e uma máquina a vapor A incluindo uma caldeira B, uma segunda turbina S2, um condensador Y, um terceiro gerador de energia G3 acionado pela segunda turbina S2, e uma segunda bomba P2. O segundo trocador de calor 8 compreende um condensador Y da máquina a vapor A. No sistema de ciclo térmico compósi- to, o gás de trabalho Fg comprimido no compressor C é resfriado à medida que ele passa o lado de dispersão de calor 71 do primeiro trocador de calor 7, de modo a formar o líquido de trabalho Fe, que, por sua vez, é expandido na válvula de expansão V para formar o gás de trabalho de baixa temperatu- ra Fg, que, por sua vez, é aquecido à medida que ele passa o lado de re- cepção de calor 82 do condensador Y, sendo então introduzido no compres- sor C.

No sistema de ciclo térmico compósito de acordo com a quarta concretização da presente invenção mostrada na figura 6, o vapor Eg gerado pela caldeira B é esfriado à medida que ele passa o lado de dispersão de calor 81 do condensador Y, depois de acionar a segunda turbina S2, e tem sua pressão aumentada pela segunda bomba P2 para formar o condensado de alta pressão Ee, que é trazido de volta para a caldeira B, depois de ser aquecido à medida que ele passa o lado de recepção de calor 73 do primeiro trocador de calor. O primeiro trocador de calor 7 inclui uma porção de recep- ção de calor 74 para água de alimentação, de modo a suprir, por exemplo, água U2 aquecida a 80°C para o lado de fora. Como uma fonte de calor para o sistema de ciclo térmico de acordo com a primeira concretização (Figura 3) da presente invenção, o sistema de ciclo térmico compósito da figura 6 usa calor perdido da máquina a vapor A com um ciclo Rankine, isto é, calor per- dido do condensador Y da turbina a vapor S2.

A figura 7 é um plano de disposição de um sistema de ciclo tér- mico compósito de acordo com a quinta concretização da presente invenção. O sistema de ciclo térmico compósito da figura 7 compreende: um refrigera- dor (bomba de calefação) J incluindo um compressor C, uma primeira turbi- na S, um primeiro trocador de calor 7, uma primeira bomba P, uma turbina a água K, e um primeiro gerador de energia G; e uma máquina a vapor Ranki- ne A incluindo uma caldeira B, uma segunda turbina S2, um terceiro gerador de energia G3, um condensador Y, e uma segunda bomba P2. O gás de tra- balho Fg comprimido no compressor C é resfriado à medida que ele passa o lado de dispersão de calor 71 do primeiro trocador de calor 7, depois de a- cionar a primeira turbina S, tendo então sua pressão aumentada pela primei- ra bomba P para formar o líquido de trabalho de alta pressão Fe, que é ex- pandido e evaporado na turbina a água K para formar o gás de trabalho Fg1 que é aquecido à medida que ele passa o lado de recepção de calor 72 do primeiro trocador de calor 7 e o lado de recepção de calor S2 do condensa- dor Y, sendo então introduzido no compressor. Depois de acionar a segunda turbina S2, o vapor Eg gerado pela caldeira B é esfriado no condensador Y e tem sua pressão aumentada pela segunda bomba P2 para formar o conden- sado.de alta pressão Ee1 que é trazido de volta para a caldeira Β. O gás de trabalho Fg é introduzido no compressor C depois de ser aquecido à medida que ele passa o lado de recepção de calor 72 do primeiro trocador de calor e o lado de recepção de calor 82 do condensador Y.

No sistema de ciclo térmico compósito da figura 6, um exemplo de uma operação da máquina térmica executado em um estado onde a bomba de calefação J está em repouso (isto é, a troca de calor é efetuada diretamente entre o vapor de escapamento Eg e o condensado Ee na má- quina térmica) é o seguinte. A temperatura do vapor (entrada da turbina) é de 400°C, e a temperatura do condensado (saída da turbina) é de 60°C. O rendimento térmico η no ciclo Carnot é:

n=(400-60)/(400+273,15) 0,505 ... (Eq. 45) Por outro lado, quando a bomba de calefação J for operada con- forme mostrado na figura 6 com a temperatura de vapor ajustada em 400°C, a temperatura do condensado (saída da turbina) será 10°C. O rendimento térmico n no ciclo de Carnot será:

η=.0,579 ... (Eq. 46) Isto mostra que a operação da bomba de calefação no sistema de ciclo térmico compósito da figura 6 faz com que a diferença de temperatu- ra aumente de 340°C para 390°C e permite que o rendimento térmico da unidade principal da turbina aumente em:

0,579-0,505+0,074 ... (Eq. 47) A seguir, será discutido o cruzamento térmico no sistema de ci- cio térmico da figura 6. Quando a bomba de calefação J estiver em repouso e nenhum cruzamento de calor estiver disponível, a temperatura do conden- sado (saída da turbina) e a temperatura da água de alimentação (entrada da caldeira) serão ambas de 10°C. A fim de transformar o condensado e a água de alimentação em vapor em 400°C, 90 unidades de quantidade de calor serão exigidas para aquecer a água de alimentação de 10°C a 100°C, e 539 unidades de quantidade de calor serão exigidas para transformar o conden- sado em 100°C em vapor em 100° C. Além disso, 150 unidades de quanti- dade de calor são exigidas para aquecer o vapor de 100°C a 400°C assu- mindo-se que o calor específico de vapor é 0,5. Conseqüentemente, é exigi- do um total de 779 unidades de quantidade de calor é exigido.

Em um caso onde a bomba de calefação é operada para efetuar o cruzamento térmico, a temperatura do condensado (saída da turbina) é de 10°C, e a temperatura de água de alimentação na entrada da caldeira é de 70°C. Por isso, conforme comparado à temperatura de água de alimentação de entrada de caldeira, quando nenhum cruzamento térmico for efetuado, isto é, 10°C, será possível economizar uma quantidade de calor que de outra forma seria necessária para elevar a temperatura de água de alimentação em 60°C, isto é, 60 unidades de quantidade de calor. Isto é expresso como segue:

60/779=0,077 ... (eq. 48)

Por isso, a redução na quantidade de calor introduzida pelo cru- zamento térmico aperfeiçoa o rendimento térmico do sistema de ciclo térmi- co da figura 6, como segue.

A partir da Eq. 32 acima,

n=ns/(1-Q3/Q)... (Eq. 32), isto é, η/η8=1/(1-Q3ZQ) ...Eq. 49) o rendimento térmico do sistema de ciclo térmico é:

1-í-(1-0,077)=1,08 ... (Eq. 50)

Portanto, o rendimento térmico é aperfeiçoado em aproximada- mente 8%.

Depois, será discutido o aumento da queda de calor devido ao cruzamento térmico no sistema de ciclo térmico da figura 6. O rendimento térmico ηs da turbina quando a bomba de calefação J estiver em repouso e nenhum cruzamento térmico disponível será:

ηs=(400-10)/(400+273,15)=0,579 ... (Eq. 51)

Com a multiplicação do rendimento térmico ηs, isto é, 0,579,pela taxa de aumento acima descrita do rendimento térmico é descoberto que o rendimento térmico do sistema de ciclo térmico é 0,625.

No dispositivo de ciclo térmico compósito da figura 6, o rendi- mento térmico poderá ser aperfeiçoado efetuando-se o cruzamento térmico no ciclo Rankine mesmo se a energia consumida pela bomba e o trabalho gerado da turbina forem mutuamente anulados ou o equilíbrio de energia for um tanto positivo. O aperfeiçoamento no rendimento térmico pode ser con- seguido sem a necessidade de aumentar a capacidade da caldeira. Por e- xemplo, a temperatura do vapor de 400°C, a temperatura do condensado (saída da turbina) de 60°C e a temperatura da água de alimentação de en- trada da caldeira de 60°C no sistema convencional mudam para uma tempe- ratura de vapor de 400°C, uma temperatura de condensado (saída da turbi- na) de 10°C e uma temperatura de água de alimentação de entrada de cal- deira de 70°C, conforme afirmado acima. Desse modo, a temperatura de água de alimentação de entrada de caldeira apenas muda em 10°C. Conse- qüentemente, é desnecessário aumentar a capacidade da caldeira.

A figura 7 mostra um exemplo de uma disposição do sistema de ciclo térmico compósito da bomba de calefação J e da máquina térmica de ciclo Rankine A e das quantidades de calor acrescentadas e extraídas do fluido de trabalho. No sistema de ciclo térmico compósito da figura 7, a quan- tidade de calor fornecido para vapor de uma caldeira B é de 10.000 kW, e a saída W3 da turbina S2 é de 3.000 kW (rendimento térmico: 0,3). O calor perdido (calor perdido do condensador) da turbina S2 é de 7.000 kW. A quantidade de calor transferida do vapor Eg para o refrigerante Fg no con- densador Y é de 7.000 kW.

Quando a entrada L do compressor C for lançada para cada e- Iemento da bomba de calefação J no lado direito da figura 7 no montante de uma unidade (L=1), o rendimento W da turbina S, a quantidade de cruza- mento térmico Q3 na saída do trocador de calor 7, e a quantidade de calor Q4 levada para o trocador de calor 8 a partir do lado de fora poderão ser ex- pressos, conforme indicado abaixo. O coeficiente de desempenho Eh da bomba é o coeficiente de desempenho do refrigerador mais 1, isto é,

εh=5,4+1=6,4 ... (Eq. 52) O rendimento W da turbina S é fornecido por:

W=εhxn"s=6,4x0,28=1,7 ... (Eq. 53)

A quantidade de cruzamento térmico Q3 na saída do trocador de calor 7 é:

Q3=6,4-1,7=4,7 ... (Eq. 54)

A quantidade de calor Q4 absorvida do lado de fora no trocador de calor 8 é:

Q4=CoefiCiente de desempenho do refrigerador-Q3 (Eq. 54)

Por isso, a quantidade de calor Q4 é:

Q4=5,4-4,7=0,7... (Eq. 56) Assumindo-se que a quantidade de calor transferida no conden- sador Y do sistema de ciclo térmico compósito da figura 7 é de 7.000 kW, conforme descrito acima, a quantidade de calor que entra e que sai de cada elemento do sistema de ciclo térmico J é obtida por um cálculo proporcional no qual a quantidade de calor absorvido 0,7 é assumida como sendo de 7000 kW, isto é, uma unidade na figura 7 é assumida como sendo de 10.000 kW. A entrada L do compressor C é L=10.000 kW, e o trabalho W da turbina S é W=17.000 kW. A quantidade de cruzamento térmico Q3 no trocador de calor 7 é Q3=47.000 kW. A potência elétrica L2 consumida pela bomba P é de 45 kW, e a potência elétrica W2 gerada pela turbina a água K é de 45 kW.

A figura 8 é um plano de disposição de um sistema de ciclo tér- mico compósito de acordo com a sexta concretização da presente invenção. O sistema de ciclo térmico compósito da figura 8 compreende: uma bomba de calefação J incluindo um compressor C, uma primeira turbina S, um pri- meiro trocador de calor 7, uma primeira bomba P, uma turbina a água K e um primeiro gerador de energia G; e uma máquina térmica de ciclo Rankine A incluindo uma caldeira B1 uma segunda turbina S2, um terceiro gerador de energia G3, um condensador Y, e uma segunda bomba P2. O gás de traba- lho Fg comprimido no compressor C é resfriado à medida que ele passa o lado de dispersão de calor 71 do primeiro trocador de calor 7, depois de a- cionar a primeira turbina S, tendo então sua pressão aumentada pela primei- ra bomba P para formar o líquido de trabalho de alta pressão Fe, que é ex- pandido e evaporado na turbina de água K para formar o gás de trabalho Fg1 é aquecido à medida que ele passa o lado de absorção de calor 72 do pri- meiro trocador de calor 7 e o lado de recepção de calor 82 do condensador Y, sendo então jntroduzido no compressor C. O vapor Eg gerado pela caldei- ra B é resfriado pelo condensador Y, depois de acionar a segunda turbina '- S2, tem sua pressão aumentada pela bomba P2 para formar o condensado de alta pressão Ee1 é aquecido à medida que ele passa o lado de absorção de calor 83 do condensador Y1 e é trazido de volta para a caldeira Β. O sis- tema de ciclo térmico compósito mostrado na figura 8 compreende uma combinação de uma máquina térmica A que por si só executa o cruzamento térmico, e uma bomba de calefação (refrigerador J) incluindo uma turbina, onde o escapamento da turbina na máquina térmica A é esfriado pela saída de refrigeração do refrigerador J.

A figura 9 é um plano de disposição de um sistema de ciclo tér- mico compósito de acordo com a sétima concretização da presente inven- ção. No sistema de ciclo térmico compósito da figura 9, um eixo 91 da se- gunda turbina S2 e um eixo 93 do compressor C são conectados por um co- nector 94, de tal modo que o compressor possa ser acionado por um rendi- mento mecânico da segunda turbina S2. De outro modo, esta concretização é igual àquela mostrada na figura 8.

No sistema de ciclo térmico compósito das figuras de 7 a 9, o condensador Y da máquina térmica de ciclo Rankine A é esfriado por um refrigerador ou um sistema de ciclo térmico J, de modo a reduzir a tempera- tura da saída da segunda turbina S2, que permite obter uma saída de turbina com uma alto rendimento térmico. Uma vez que o sistema de ciclo térmico compósito é capaz de resfriar o condensador Y sem água do mar, o sistema de ciclo térmico compósito pode ser disposto em uma área de produção de combustível que é remota de uma costa. O sistema de ciclo térmico compó- sito das figuras de 7 a 9 pode aperfeiçoar sua eficiência de geração de ener- gia em cerca de um valor 1,9 vezes aquele de uma usina termelétrica con- vencional. Por isso, um sistema de suprimento de energia usando o sistema de ciclo térmico compósito das figuras de 7 a 9 é capaz de distribuir energia elétrica gerada pelo sistema de geração de energia elétrica de ciclo térmico compósito a uma área de consumo de energia distante a mais de 500 km através de linhas de força.

A figura 10 é um plano de disposição de um sistema de ciclo térmico compósito de acordo com a oitava concretização da presente inven- ção. O sistema de ciclo térmico compósito da figura 10 compreende uma combinação de: um primeiro sistema de ciclo térmico incluindo um compres- sor C, uma primeira turbina S, um primeiro trocador de calor 7, um segundo trocador de calor 8, uma primeira bomba P, e um expansor V; e um segundo sistema de ciclo térmico incluindo um segundo compressor C2, um conden- sador 81, um segundo expansor V2 e um evaporador 92. No sistema de ciclo térmico compósito da figura 10, o gás de trabalho Fg compreendido no com- pressor C é esfriado à medida que ele passa o lado de dispersão de calor 71 do primeiro trocador de calor 7, depois de acionar a primeira turbina S, tendo então sua pressão aumentada pela primeira bomba P para formar o líquido de trabalho de alta pressão Fe, que é expandido e evaporado no expansor V para formar o gás de trabalho Fg, que é aquecido à medida que ele passa o lado de recepção de calor 72 do primeiro trocador de calor 7 e o lado de re- cepção de calor 82 do segundo trocador de calor 8, sendo trazido de volta para o compressor C.

Um gás refrigerante 8g comprimido no segundo compressor C2 é esfriado à medida que ele passa o condensador 81, de modo a formar um líquido refrigerante 8e, que é expandido no segundo expansor V2 e evapora- do no lado de absorção de calor 92 do evaporador 9, enquanto absorve calor no lado de dispersão de calor 91 do evaporador 9, de modo a formar um gás refrigerante 8g, que é trazido de volta para o segundo compressor C2. O condensador 81 compreende o lado de dispersão de calor 81 do segundo trocador de calor. O sistema de ciclo térmico compósito da figura 10 apre- senta dois ciclos de refrigeração que são dispostos em série, de tal modo que o lado de dispersão de calor do segundo sistema de ciclo térmico possa ser resfriado no lado de absorção de calor do primeiro sistema de ciclo tér- mico; desse modo, a porção de baixo calor do segundo sistema de ciclo tér- mico, isto é, o lado de dispersão de calor 91 do evaporador 9, pode ser res- friada a uma temperatura extremamente baixa. Por isso, a porção de baixo calor do sistema de ciclo térmico compósito da figura 10 pode servir como uma fonte de baixo calor de um Iiquefator de gás para liqüefazer, por exem- plo, LNG ou LPG.

A figura 11 é um plano de disposição de uma instalação de calor útil de geração de energia que é um sistema de ciclo térmico compósito de acordo com a nona concretização da presente invenção. A instalação de calor útil de geração de energia da figura 11 compreende: um sistema de ciclo térmico incluindo um compressor C, uma primeira turbina S, um gera- dor de energia G acionado pela primeira turbina, um primeiro trocador de calor 7, um segundo trocador de calor 8, uma primeira bomba P e um ex- pansor V; uma caldeira elétrica 15; e uma caldeira de combustível fóssil 16. Na instalação de calor útil de geração de energia da figura 11, o gás de tra- balho Fg comprimido no compressor C é esfriado e liqüefeito à medida que ele passa o lado de dispersão de calor 71 do primeiro trocador de calor 7, depois de acionar a primeira turbina S, tendo então sua pressão aumentada pela primeira bomba P para formar o líquido de trabalho de alta pressão Fe, que é expandido e evaporado no expansor V para formar o gás de trabalho Fg. Este gás de trabalho é aquecido à medida que ele passa o lado de re- cepção de calor 72 do primeiro trocador de calor 7 e o lado de recepção de calor 82 do segundo trocador de calor, sendo então trazido de volta para o compressor. A água U para calor útil é aquecida no lado de recepção de ca- Ior 73 do primeiro trocador de calor 7, é adicionalmente aquecida então a uma temperatura predeterminada pela caldeia elétrica 15, e é suprida a uma porção exigida. A caldeira elétrica 15 é suprida com energia elétrica gerada pelo gerador de energia G, que é acionado pela primeira turbina S. O lado de dispersão de calor 81 do segundo trocador de calor 8 pode compreender uma câmara de baixa temperatura ou uma porção de dispersão de calor perdido.

A figura 12 é um plano de disposição de um sistema de geração de energia elétrica de ciclo térmico compósito, que é um sistema de ciclo térmico compósito de acordo com a décima concretização da presente in- venção. O sistema de geração de energia elétrica de ciclo térmico compósito da figura 12 compreende: um sistema de ciclo térmico J incluindo um com- pressor C, uma primeira turbina S, um primeiro gerador de energia G acio- nado pela primeira turbina S, um primeiro gerador de energia G acionado pela primeira turbina, um primeiro trocador de calor 7, um segundo trocador de calor 8, uma primeira bomba P e um expansor; e uma turbina a gás do tipo aberto 32 incluindo um segundo compressor C2, uma câmara de com- bustão 35, uma segunda turbina S2, e um terceiro gerador de energia. No sistema de geração de energia elétrica de ciclo térmico compósito da figura 12, o gás de trabalho Fg comprimido no compressor C é resfriado e liqüefei- to à medida que ele passa o lado de dispersão de calor 71 do primeiro tro- cador de calor 7, depois de acionar a primeira turbina S, tendo então sua pressão aumentada pela primeira bomba P para formar o líquido de trabalho de alta pressão Fe, que é expandido e evaporado no expansor Y para formar o gás de trabalho Fg, que é aquecido à medida que ele passa o lado de re- cepção de calor 72 do primeiro trocador de calor 7 e o lado de recepção de calor 82 do segundo trocador de calor, sendo então trazido de volta para o compressor C. Por outro lado, o ar de entrada 34 é comprimido no segundo compressor C2 e é suprido à câmara de combustão 35, de tal maneira que seja misturado com combustível na câmara de combustão 35 e seja inflama- do para combustão para gerar gás de combustão. Depois de acionar a se- gunda turbina S2, o gás de combustão gerado é reduzido em temperatura à medida que ele passa o lado de dispersão de calor 81 do segundo trocador de calor, e é liberado como um gás queimado na atmosfera. A energia elétri- ca, que é gerada pelos primeiro e terceiro geradores de energia G e G3 a- cionados pela primeira e segunda turbinas S e S2l é suprida a um local dese- jado.

O sistema de geração de energia elétrica de ciclo térmico com- pósito da figura 12 gera energia elétrica através da introdução de calor de escapamento na turbina a gás do tipo aberto 32 em uma porção de calor de entrada (o lado de absorção de calor 82 do segundo trocador de calor) do sistema de ciclo térmico J. O sistema de ciclo térmico J pode usar calor per- dido de baixa temperatura. Por isso, o sistema de geração de energia elétri- ca de ciclo térmico compósito da figura 12 pode ampliar a faixa de tempera- tura para uso da turbina a gás do tipo aberto, para um lado de baixa tempe- ratura e pode também aperfeiçoar o rendimento térmico com a ampliação de uma queda de calor da turbina a gás do tipo aberto. O sistema de geração de energia elétrica de ciclo térmico compósito da figura 12 não exige uma fonte de água de esfriamento, podendo, portanto, ser colocado em uma área deserta ou similar.

Diferente de um sistema de geração de energia elétrica conven- cional, nenhuma energia térmica será perdida quando energia elétrica for gerada pela presente invenção; por isso, o calor útil (água aquecida ou va- por) pode ser obtido, sem qualquer desperdício, por um aquecedor elétrico (caldeira elétrica) usando esta energia elétrica. A presente invenção usa o calor recuperado do calor perdido pela bomba de calefação para aquecer a caldeira elétrica e é, portanto, capaz de prover calor útil de alta temperatura.

Claims

1. Sistema de ciclo térmico incluindo um compressor, uma pri- meira turbina, um primeiro e um segundo trocadores de calor, uma primeira bomba e um expansor, em que o gás de trabalho comprimido no compressor (C) aciona a primeira turbina (S), e é, depois disso, resfriado com a passa- gem através de um lado de dispersão de calor (71) do primeiro trocador de calor (7), tendo então sua pressão elevada pela primeira bomba (P) para formar o líquido de trabalho de alta pressão (Fe), o dito líquido de trabalho de alta pressão é expandido e evaporado no expansor (Κ, V) para formar o gás de_trabalho (Fg)1 o dito gás de trabalho é aquecido com a passagem através de um lado de absorção de calor (82) do segundo trocador de calor, antes de ser introduzido no compressor, e um lado de dispersão de calor (81) do segundo trocador de calor é compreendido de uma câmara de baixa temperatura ou uma porção de dispersão de calor perdido de uma máquina de aquecimento (30).

2. Sistema de ciclo térmico de acordo com a reivindicação 1, no qual o dito expansor é uma turbina a água de reação (Κ), o dito líquido de trabalho de alta pressão (Fe) acionando a turbina a água de reação (K) para distribuir trabalho (W2) enquanto é expandido e evaporado para formar o gás de trabalho (Fg), o dito gás de trabalho sendo aquecido através de um lado de recepção de calor (72) do primeiro trocador de calor e através de um lado de recepção de calor (82) do segundo trocador de calor antes de ser intro- duzido no compressor.

3. Sistema de ciclo térmico de acordo com a reivindicação 1, no qual o dito expansor é uma válvula de expansão (V) e o dito líquido de traba- lho de alta pressão é expandido e evaporado através do expansor (V) para formar o gás de trabalho.

4. Sistema de ciclo térmico de acordo com a reivindicação 1, no qual a dita câmara de baixa temperatura é uma câmara condicionada por ar, um refrigerador, ou uma câmara de formação de gelo.

5. Sistema de ciclo térmico de acordo com a reivindicação 1, no qual a porção de dispersão de calor perdido da máquina de aquecimento (30) é uma porção de dispersão de calor perdido de um sistema de esfria- mento de lubrificante do compressor, uma primeira turbina, um primeiro ge- rador de energia (G)1 e um motor de acionamento de compressor.

6. Central elétrica que usa o sistema de ciclo térmico, como defi- nido na reivindicação 1, que compreende um primeiro gerador de energia (G) acionado pela primeira turbina (S), um terminal de saída (11) para suprir energia elétrica para o lado de fora, e um fio (12) para eletricamente conec- tar o primeiro gerador (G), o terminal de saída (11), um motor de acionamen- to (M) para o compressor, e um motor de acionamento (M2) para a primeira bomba.

7. Sistema de geração de energia elétrica de ciclo térmico com- pósito que compreende: um refrigerador (J) incluindo um compressor, um primeiro e um segundo trocadores de calor, e um expansor; e uma máquina a vapor (A) incluindo uma caldeira, uma segunda turbina, um condensador, um terceiro gerador de energia acionado pela segunda turbina, em que: o gás de trabalho comprimido no compressor (C) é esfriado à medida que ele passa um lado de dispersão de calor (71) do primeiro troca- dor de calor (7) para formar líquido de trabalho (Fe), que é expandido em uma válvula de expansão (V) para formar gás de trabalho (Fg), que é aque- cido à medida que ele passa um lado de recepção de calor (82) do segundo trocador de calor (Y), sendo então introduzido no compressor, e em que o vapor (Eg) gerado pela caldeira (B) é resfriado e condensado à medida que ele passa um lado de dispersão de calor (81) do condensador (Y), depois de acionar a segunda turbina (S2)1 e tem sua pressão aumentada por uma segunda bomba (P2) par formar o condensado de alta pressão (Ee), que é aquecido à medida que ele passa um lado de recepção de calor (73) do primeiro trocador de calor, e é trazido de volta para a caldeira (B), e um lado de recepção de calor do condensador (Y) é compreendido do lado de recepção de calor (82) do segundo trocador de calor.

8. Sistema de geração de energia elétrica de ciclo térmico com- pósito de acordo com a reivindicação 7, no qual o primeiro trocador de calor (7) compreende uma porção de recepção de calor (74) para água de alimen- tação.

9. Sistema de geração de energia elétrica de ciclo térmico com- pósito, que compreende: um sistema de ciclo térmico (J) incluindo um com- pressor, uma primeira turbina, um primeiro trocador de calor, uma primeira bomba, um expansor, e um primeiro gerador de energia; e uma máquina a vapor (A) incluindo uma caldeira, uma segunda turbina, um terceiro gerador de energia, um condensador, e uma segunda bomba, em que o gás de trabalho comprimido no compressor (C) é esfriado à medida que ele passa um lado de dispersão de calor (71) do primeiro troca- dor de calor (7), depois de acionar a primeira turbina (S), tendo então sua pressão aumentada pela primeira bomba (P) para formar o líquido de traba- lho de alta pressão (Fe), que é expandido e evaporado no expansor (Κ, V) para formar o gás de trabalho (Fe), que é introduzido no compressor, em que o vapor (Eg) gerado pela caldeira (B) é resfriado pelo condensa- dor (Y), depois de acionar uma segunda turbina (S2), tem sua pressão au- mentada pela segunda bomba (P2) para formar o condensador de pressão elevada (Ee), e é trazido de volta para a caldeira (B), em que o gás de trabalho (Fg) é aquecido à medida que ele passa um lado de recepção de calor (72) do primeiro trocador de calor e um lado de recepção de calor (82) do condensador (Y), sendo então introduzido no compressor (C), de tal modo que o primeiro gerador de energia (G) seja a- cionado pela primeira turbina e que o terceiro gerador de energia (G3) seja acionado pela segunda turbina.

10. Sistema de geração de energia elétrica de ciclo térmico compósito de acordo com a reivindicação 8, no qual o condensado (Ee) é aquecido em um segundo lado de recepção de calor (73) do primeiro troca- dor de calor ou em um lado de recepção de calor (83) do condensado (Y), antes de ser trazido de volta para a caldeira (B).

11. Sistema de geração de energia elétrica de ciclo térmico compósito que compreende: um sistema de ciclo térmico incluindo um pri- meiro compressor, uma primeira turbina, um primeiro gerador de energia, um primeiro e um segundo trocadores de calor, uma primeira bomba, e um ex- pansor; e uma turbina a gás do tipo aberto (32) incluindo um segundo com- pressor, uma câmara de combustão, uma segunda turbina, e um terceiro gerador de energia, em que o gás de trabalho (Fg) comprimido no primeiro compressor (C) é resfriado à medida que ele passa um lado de dispersão de calor (71) do pri- meiro trocador de calor (7), depois de acionar a primeira turbina (S), tendo então sua pressão aumentada pela primeira bomba (P) para formar o líquido de trabalho de alta pressão (Fe), que é expandido e evaporado no expansor (V) para formar o gás de trabalho (Fg), que é aquecido à medida que ele passa um lado de recepção de calor (72) do primeiro trocador de calor e um lado de recepção de calor (82) do segundo trocador de calor, sendo então trazido de volta para o compressor (C), em que o ar de entrada (34) é comprimido no segundo compressor (C2) e é suprido para a câmara de combustão (35), na qual o combustível é mis- turado com ar comprimido e inflamado para combustão para gerar gás de combustão, que, depois de acionar a segunda turbina (S2) tem sua tempera- tura reduzida através de um lado de dispersão de calor (81) do segundo tro- cador de calor e é liberado como um gás queimado (36) para a atmosfera, e os primeiro e terceiro geradores de energia (G) e (G3) são acionados pelas primeira e segunda turbinas (S) e (S2), respectivamente.

12. Sistema de geração de energia elétrica de ciclo térmico compósito de acordo com qualquer das reivindicações de 9 a 11, que adicio- nalmente compreende um terminal de saída (11) para suprir energia elétrica para o lado de fora e um fio condutor (12) para eletricamente conectar os primeiro e terceiro geradores de energia e o terminal de saída (11).

13. Sistema de suprimento de energia de acordo com qualquer das reivindicações de 9 a 12, no qual a energia elétrica gerada pelo sistema de geração de energia elétrica de ciclo térmico compósito como definido em qualquer das reivindicações de 9 a 12 é distribuído através de linhas de for- ça para uma área de consumo de energia distante a 500 km ou mais.

14. Sistema de ciclo térmico compósito que compreende um pri- meiro sistema de ciclo térmico incluindo um compressor, uma primeira turbi- na, um primeiro e um segundo trocadores de calor, uma primeira bomba, e um expansor; e um segundo sistema de ciclo térmico incluindo um segundo compressor, um condensador, um segundo expansor, e um evaporador, em que o gás de trabalho comprimido no compressor (C) é resfriado à medida que ele passa um lado de dispersão de calor (71) do primeiro trocador de calor (7), depois de acionar a primeira turbina (S), tendo então sua pressão aumentada pela primeira bomba (P) para formar o líquido de trabalho de alta pressão (Fe), que é expandido e evaporado no expansor (V) para formar o gás de trabalho (Fg), que é aquecido à medida que ele passa um lado de recepção de calor (82) do segundo trocador de calor (8), sendo em seguida trazido de volta para o compressor, e em que um gás refrigerante (8g) comprimido no segundo compressor (C2) é resfriado à medida que ele passa o condensador (81) para formar um líquido refrigerante (8e), que é expandido no segundo expansor (V2) e eva- porado em um lado de absorção de calor (92) do evaporador (9), enquanto absorve calor em um lado de dispersão de calor (91) do evaporador (9), de modo a formar um gás refrigerante (8g), que é trazido de volta para o se- gundo compressor (C2), e o condensador é compreendido do lado de disper- são de calor (81) do segundo trocador de calor.

15. Sistema de ciclo térmico compósito de acordo com a reivin- dicação 14, no qual o lado de dispersão de calor (91) do evaporador (9) compreende uma fonte de baixo calor de um Iiquefator de gás.

16. Instalação de calor útil de geração de energia que compre- ende: um sistema de ciclo térmico incluindo um compressor, uma primeira turbina, um gerador de energia acionado pela primeira turbina, um primeiro e um segundo trocadores de calor, uma primeira bomba, e um expansor; e uma caldeira elétrica, em que o gás de trabalho (Fg) comprimido em um compressor (C) é res- friado e liqüefeito à medida que ele passa um lado de dispersão de calor (71) do primeiro trocador de calor (7), depois de acionar uma primeira turbina (S), tendo então sua pressão aumentada pela primeira bomba (P) para formar o líquido de trabalho de alta pressão (Fe), que é expandido e evaporado no expansor (V) para formar o gás de trabalho (Fg), que é aquecido à medida que ele passa um lado de recepção de calor (82) do segundo trocador de calor, sendo então trazido de volta para o compressor, e em que a água (U) para calor útil é aquecida em um lado de recepção de calor (73) do primeiro trocador de calor (7) e é em seguida adicionalmente aquecida pela caldeira elétrica (15) em uma temperatura predeterminada, e a energia elétrica gerada pelo gerador de energia (G) acionado pela primeira turbina é suprida à caldeira elétrica (15).

17. Instalação de calor útil de geração de energia de acordo com a reivindicação 16, no qual o gás de trabalho é aquecido à medida que ele passa o lado de recepção de calor (72) do primeiro trocador de calor (7), an- tes de passar o lado de recepção de calor (82) do segundo trocador de calor, e um lado de dispersão de calor (81) do segundo trocador de calor é com- preendido de uma câmara de baixa temperatura ou uma porção de disper- são de calor perdido.