IT201600123131A1

IT201600123131A1 - Processo e impianto a ciclo termodinamico per la produzione di potenza da sorgenti di calore a temperatura variabile

Info

Publication number: IT201600123131A1
Application number: IT102016000123131A
Authority: IT
Inventors: Claudio Spadacini; Luca Giancarlo Xodo
Original assignee: Exergy Spa
Priority date: 2016-12-05
Filing date: 2016-12-05
Publication date: 2018-06-05
Also published as: WO2018104839A1

Description

“Processo e impianto a ciclo termodinamico per la produzione di potenza da sorgenti di calore a temperatura variabile”

Campo del trovato

La presente invenzione ha per oggetto un processo ed un impianto a ciclo termodinamico per la produzione di potenza meccanica e/o elettrica da sorgenti di calore a temperatura variabile. Un processo/impianto di tale tipo sfrutta sorgenti di calore a temperatura variabile per riscaldare uno o più fluidi di lavoro a cui la sorgente cede calore e che producono potenza transitando ed espandendosi in uno o più espansori. A titolo esemplificativo e non limitativo, tali sorgenti di calore a temperatura variabile possono essere: fumi di scarico di turbine a gas, fumi e calore di scarico di motori endotermici, applicazioni CSP con collettori solari con collettori a olio o sali (fluido vettore liquido, non vapore), calore di inter-refrigerazione dei compressori, calore di raffreddamento intercooler, olio e camicie dei motori endotermici, calore di scarto industriale (acciaierie, cementifici, vetrerie, calore di processo petrolchimico, etc..), fumi di combustione di biomasse e rifiuti.

Background del trovato

È noto che il ciclo ideale per lo sfruttamento di sorgenti di calore a temperature variabile è il Ciclo di Lorenz o Triangolare (vedasi Fig.1). Detto ciclo è costituito da un riscaldamento a calore specifico costante (da I a II), un espansione isoentropica (da II a III) e una compressione isoterma (da III a I).

Sono noti, studiati e/o utilizzati, cicli per lo sfruttamento di tali sorgenti, ad esempio: il ciclo Rankine a vapor d’acqua; i cicli ORC, ossia cicli Rankine organici; i cicli binari a cascata (a più fluidi); i cicli Kalina, ossia acqua – ammoniaca; i cicli trilaterali con espansione di liquido saturo (Trilateral Flash Cycle, TFC); i cicli a gas Brayton chiusi o aperti; i cicli a gas con punto di compressione nell’intorno del punto critico (ad es. CO2, etc.).

Ciascuno dei cicli di cui sopra a seconda del livello termico della sorgente e dell’ambiente viene ottimizzato per approssimare il più possibile un ciclo Triangolare, ma di fatto nessuno dei cicli di cui sopra approssima in maniera accurata detto ciclo Triangolare. In pratica si hanno cicli che realizzano efficienze che variano dal 40% a circa il 60% del massimo teorico ottenibile con il ciclo triangolare.

In particolare, i cicli Rankine ad acqua si adattano molto bene al pozzo freddo condensando a temperatura costante sul lato freddo. Sul lato caldo, per approssimarsi il più possibile alla curva di rilascio del calore a temperatura variabile sul piano T-Q o T-s (approssimativamente lineare, dato il calore specifico approssimativamente costante della sorgente), il ciclo Rankine a vapor d’acqua assume la configurazione a più livelli di pressione. Nei casi in cui la sorgente di calore è a temperature elevate, anche fra 450°C e 580°C, poiché la temperatura critica dell’acqua è pari a 374°C, la massima pressione di evaporazione del ciclo è normalmente limitata attorno alla pressione corrispondente ad una temperatura di 300°C. Si genera quindi una grossa irreversibilità per scambio termico, parzialm ente e non efficacemente compensata operando surriscaldamento e ri-surriscaldamenti. Inoltre, il ciclo a vapore presenta ulteriori limiti nell’applicazione su taglie di potenza ridotta, l’installazione in zone con ridotte disponibilità idriche ed in ambienti molto rigidi, a causa della difficile gestione del ciclo dell’acqua a temperature estreme. I cicli ORC, parimenti a quello a vapore d’acqua, si adattano bene al pozzo freddo, mentre devono ricorrere a livelli multipli di pressione per approssimare il ciclo Triangolare. Tuttavia ciò, soprattutto per le alte temperature, male si concilia con la indisponibilità di fluidi con temperatura critica superiore alla temperatura della sorgente combinata con una pressione di condensazione non eccessivamente bassa. Inoltre, per motivi di stabilità termica dei fluidi organici alle alte temperature, spesso nelle applicazioni con cicli ORC si prevede un circuito intermedio di scambio a olio diatermico o acqua surriscaldata che ha come effetto una penalizzazione delle prestazioni a causa delle sue irreversibilità.

Una correzione solo parziale ed insufficiente di tali difetti del ciclo ORC è data dai cicli binari a cascata (multi-fluido) che attraverso la combinazione, ad esempio, di due fluidi cercano di disaccoppiare la pressione massima e la minima di esercizio ottenendo due cicli topping bottoming accoppiati che meglio approssimano il ciclo Triangolare. La problematica principale di questo tipo di soluzioni è la complicata gestione di due fluidi organici estremamente differenti ed in particolare dei vapori metallici, che rappresentano il ciclo di topping più performante.

Anche l’utilizzo di cicli ORC supercritici per cercare di minimizzare le perdite per irreversibilità di scambio non consente comunque di avvicinarsi molto ai rendimenti teorici del ciclo Triangolare, a causa della scarsità di fluidi con temperature critiche abbastanza elevate e pressioni di condensazioni accettabili.

I cicli trilaterali ad espansione di liquido TFC, oltre ai problemi dei supercritici di cui sopra in relazione alla mancanza di fluidi con temperature critiche abbastanza elevate e con pressioni di condensazione accettabili, soffrono di problemi di basse prestazioni degli espansori di fluidi bifase, che si ripercuotono sull’efficienza generale del ciclo.

I cicli Kalina moderano alcune irreversibilità dei cicli Rankine ma di contro anche loro non consentono di approssimare il ciclo Triangolare.

I cicli Brayton approssimano naturalmente bene la parte calda del ciclo Triangolare, essendo caratterizzati da una curva di introduzione del calore a temperatura variabile e Cp tipico dei gas perfetti, cioè sostanzialmente costante, ma per approssimare la parte fredda del ciclo Triangolare devono adottare una compressione con inter—refrigerazione multipla. Tali cicli pur approssimando meglio di altri la forma di un ciclo Triangolare, soffrono molto per i rendimenti delle turbomacchine. In pratica, il lavoro di espansione e di compressione dipendono dal volume specifico. Il volume specifico di fine espansione e quello di inizio compressione sono molto simili ed anche con efficienze di compressore ed espansore molto elevate (anche superiori a 80% o 90%) la penalizzazione del rendimento del ciclo a causa delle medesime è molto elevato e di fatto questi cicli non sono utilizzati per le applicazioni in oggetto.

L’unica variante del ciclo Brayton che offre discreti rendimenti nelle applicazioni in oggetto è il ciclo Brayton con punto di compressione vicino al punto critico. Questi cicli sono proposti normalmente nella configurazione a CO2. Tuttavia, nell’assetto senza recuperatore hanno ancora irreversibilità elevate (nella parte di cessione del calore alla sorgente fredda, poiché parte del calore è scaricata alla pozzo freddo a temperatura molto elevata), mentre con il recuperatore hanno irreversibilità molto minori, ma non sfruttano tutto il calore potenzialmente sfruttabile da una sorgente a temperatura variabile (la temperatura di fine acquisizione del calore è limitata dalla temperatura di fine scambio interno del calore nel recuperatore, tendenzialmente di poco inferiore alla temperatura di scarico turbina, che è molto elevata).

In tale ambito è inoltre noto il documento pubblico WO 2011/059563, il quale illustra un sistema per il recupero di calore residuo (waste heat) che impiega un sistema a ciclo Brayton ad anidride carbonica (C02) abbinato ad un sistema a ciclo Rankine di tipo a vapor d’acqua o a fluido organico. La fonte che fornisce il calore residuo da recuperare può comprendere: gas di scarico di un motore a combustione interna, di turbine a gas o fonti di calore geotermiche, solari, industriali, residenziali ecc.. Il sistema di recupero comprende: il sistema a ciclo Brayton il quale è provvisto di un riscaldatore configurato per far circolare vapori di anidride carbonica in relazione di scambio termico con un fluido caldo, in modo da riscaldare i suddetti vapori, una turbina ed un compressore; il sistema a ciclo Rankine, il quale è accoppiato al ciclo Brayton ed è configurato per far circolare un fluido di lavoro in relazione di scambio termico con i vapori di anidride carbonica in più scambiatori di calore, in modo da riscaldare detto fluido di lavoro.

Sommario

In tale ambito, la Richiedente ha percepito la necessità di migliorare ulteriormente l'efficienza dei processi/impianti per la produzione di potenza meccanica e/o elettrica da sorgenti di calore a temperatura variabile in modo, ad esempio, da produrre più potenza a parità di sorgente disponibile.

La Richiedente ha in particolare percepito la necessità di proporre un ciclo ancora più efficiente, ovvero che ancor meglio approssimi il ciclo Triangolare di Lorenz. In particolare, la Richiedente si è posta i seguenti obiettivi:

<■>ideare un processo ed un impianto più efficienti per lo sfruttamento delle risorse a temperatura variabile;

<■>ideare un processo ed un impianto caratterizzato da minori irreversibilità, miglior approssimazione del ciclo Triangolare e quindi migliori rendimenti di conversione;

<■>ideare un processo ed un impianto che consenta di utilizzare con efficacia anche una sorgente di calore secondaria a temperatura relativamente bassa, tipicamente fra circa 120-80*0 e circa 70-50*0. Tipicamente una sorgente secondaria di questo tipo è presente in applicazioni quali turbogas asserviti a compressione di gas (per stazioni di compressione gasdotti), motori endotermici, turbine a gas con compressione inter-refrigerata (quale, ad esempio, la nota GE LMS100).

La Richiedente ha trovato che gli obiettivi sopra indicati e altri ancora possono essere raggiunti da un ciclo triangolare combinato costituito da:

<■>un ciclo superiore (topping) a gas con compressione multistadio interrefrigerata o con compressione vicino al punto critico con o senza condensazione, in cui detto ciclo superiore a gas riceve tutto il calore di input dalla (o dalle) sorgente/i a temperatura variabile.

<■>un ciclo inferiore (bottoming) del tipo Rankine, ad esempio a vapor d’acqua o ORC, subcritico o ipercritico che riceve parte del calore scaricato dal ciclo superiore a gas.

Il ciclo superiore a gas è caratterizzato da una curva di introduzione del calore a temperatura variabile e calore specifico Cp sostanzialmente costante e da una espansione isoentropica. Il ciclo superiore a gas è pertanto un ciclo di tipo Brayton o di tipo Brayton modificato con condensazione, come risulterà più chiaro nel prosieguo.

In particolare, gli obiettivi indicati ed altri ancora sono sostanzialmente raggiunti da un processo, da un impianto e da un ciclo del tipo rivendicati nelle annesse rivendicazioni e/o descritti nei seguenti aspetti.

In un aspetto indipendente, la presente invenzione riguarda un processo a ciclo termodinamico per la produzione di potenza meccanica e/o elettrica da sorgenti di calore a temperatura variabile, comprendente:

far circolare un gas in un primo circuito chiuso secondo un ciclo superiore a gas, in cui detto gas è riscaldato, espanso in un primo espansore, preferibilmente asservito ad un primo generatore elettrico oppure ad una prima utenza meccanica, raffreddato (ed eventualmente condensato), compresso e di nuovo riscaldato; accoppiare operativamente in una caldaia (ovvero uno scambiatore di calore gasliquido o gas-gas) una sorgente di calore a temperatura variabile al gas del primo circuito chiuso per eseguire detto riscaldamento del gas;

far circolare un fluido di lavoro in un secondo circuito chiuso secondo un ciclo inferiore Rankine, in cui detto fluido di lavoro è riscaldato e vaporizzato, espanso in un secondo espansore, preferibilmente asservito ad un secondo generatore o ad una seconda utenza meccanica, condensato e di nuovo riscaldato e vaporizzato; accoppiare operativamente, in uno scambiatore, il gas del ciclo superiore espanso al fluido di lavoro del ciclo inferiore Rankine condensato ed ad alta pressione, al fine di raffreddare il gas e riscaldare e vaporizzare detto fluido di lavoro tramite cessione di calore da detto ciclo superiore a detto ciclo inferiore Rankine.

Dopo la cessione di calore dal ciclo superiore al ciclo inferiore nello scambiatore, il gas del ciclo superiore è ulteriormente raffreddato in almeno un dispositivo di raffreddamento fino a portarlo in prossimità del proprio punto critico.

In un aspetto indipendente, la presente invenzione riguarda un impianto per la produzione di potenza meccanica e/o elettrica da sorgenti di calore a temperatura variabile, comprendente:

un primo circuito chiuso per un ciclo superiore a gas comprendente: un primo espansore; un primo generatore elettrico o una prima utenza meccanica accoppiati al primo espansore; una caldaia; prime condutture configurate per collegare il primo espansore e la caldaia secondo il primo circuito chiuso in cui circola un gas; un secondo circuito chiuso per un ciclo inferiore Rankine comprendente: uno scambiatore; un secondo espansore; un secondo generatore elettrico o una seconda utenza meccanica operativamente collegato/a al secondo espansore; un condensatore; una pompa; seconde condutture configurate per collegare lo scambiatore, il secondo espansore, il condensatore e la pompa secondo il secondo circuito chiuso in cui circola un fluido di lavoro;

in cui la caldaia del primo circuito chiuso è operativamente accoppiata ad una sorgente di calore a temperatura variabile; in cui una porzione del primo circuito chiuso posta a valle del primo espansore è operativamente accoppiata allo scambiatore del secondo circuito chiuso.

Il primo circuito chiuso comprende almeno un dispositivo di raffreddamento posto tra lo scambiatore e la caldaia, in cui detto almeno un dispositivo di raffreddamento è configurato per raffreddare ulteriormente il gas fino a portarlo in prossimità del proprio punto critico.

In un ulteriore aspetto indipendente, la presente invenzione riguarda un ciclo termodinamico per la produzione di potenza meccanica e/o elettrica da sorgenti di calore a temperatura variabile, comprendente: un ciclo superiore chiuso a gas accoppiato ad una sorgente di calore a temperatura variabile per ricevere il calore in ingresso da detta sorgente a temperatura variabile; un ciclo inferiore chiuso Rankine operativamente accoppiato al ciclo superiore per ricevere almeno parte del calore scaricato da detto ciclo superiore. Dopo la cessione di calore dal ciclo superiore al ciclo inferiore Rankine nello scambiatore, il gas del ciclo superiore è ulteriormente raffreddato fino a portarlo in prossimità del proprio punto critico.

Con la terminologia “in prossimità del punto critico” si intende che il diagramma T-S del gas, dopo la cessione di calore dal ciclo superiore al ciclo inferiore Rankine, presenta almeno un tratto tangente alla campana di Andrews o intersecante la campana di Andrews, ovvero una temperatura minima uguale o inferiore alla temperatura del punto critico (sommità della campana di Andrews).

Preferibilmente, il ciclo superiore a gas è del tipo Brayton oppure Brayton modificato con condensazione.

Preferibilmente, il gas comprende esafluoruro di zolfo (SF6) o una miscela di esafluoruro di zolfo e anidride carbonica (CO2), trifluorometano o R23 (CHF3), difluorometano o R32 (CH2F2), xenon (Xe) o monossido di azoto (N2O).

Preferibilmente, il gas è anidride carbonica (CO2).

La Richiedente ha verificato che:

- il ciclo combinato triangolare consente di avere un ciclo a gas (a basso rapporto di espansione) con temperature di espansione molto più calde di quelle di compressione e quindi buon rendimento, non eccessivamente influenzato dai rendimenti delle macchine;

- il ciclo superiore è molto semplice;

- la caldaia a contatto tipicamente con i fumi (sorgente termica a temperatura variabile), è molto semplificata se si tratta di fumi o stream gassoso, in quanto lato ciclo superiore ha un fluido monofase (un gas) e non un fluido in cambio di fase; - il ciclo superiore sostituisce il tipico circuito di trasferimento di calore, ad esempio ad olio diatermico o acqua pressurizzata, nel caso dell’applicazione di recupero calore con ciclo ORC;

- il ciclo inferiore può essere molto bene ottimizzato grazie alla minor temperatura di ingresso della sorgente termica e quindi maggiore disponibilità di fluidi con T critiche adeguate.

La Richiedente ha inoltre verificato che:

- la compressione isoterma tipica del ciclo triangolare avviene in zone con volumi specifici contenuti e quindi con una efficienza globale non molto penalizzata dal rendimento dei compressori/pompe;

- il ciclo superiore realizza anche il ciclo intermedio che consente di disaccoppiare il ciclo Rankine (se ORC) dalla sorgente ad alta temperatura; si elimina dunque la necessità di olio diatermico, (conseguentemente anche del sistema antincendio, etc.);

- il circuito a gas, se utilizzato in sistemi che richiedano stoccaggio (come ad esempio il CSP) consente un agevole stoccaggio con sistemi con solidi inerti;

- la riduzione del livello termico all’ingresso del ciclo Rankine (consentendo quindi individuare molti fluidi con temperature critiche abbastanza elevate pur con pressioni di condensazione accettabili, i.e. non inferiori a 5-10 centesimi di bar) consente di adottare un ciclo Rankine a livelli multipli di pressione (o supercritico) che si approssimi bene al ciclo di Lorenz;

- il ciclo superiore ha tipicamente un basso rapporto di compressione e ha il punto di inizio espansione in corrispondenza della temperatura massima e quello di inizio compressione in corrispondenza della temperatura minima del ciclo.

La presente invenzione, in almeno uno dei suddetti aspetti, può presentare una o più degli ulteriori aspetti preferiti che qui di seguito sono descritte.

La Richiedente ha anche verificato che la presente invenzione consente di sfruttare sorgenti di calore a temperatura variabile con temperature più basse di quelle sfruttabili dall’arte nota. L’invenzione permette di ottenere temperature più basse e curve di recupero più orizzontali (perché si hanno livelli termici più bassi e calori specifici Cp apparenti molto minori) e si può dunque sfruttare il calore prodotto da sorgenti con temperature più basse.

In un aspetto, dopo la cessione di calore dal ciclo superiore a gas al ciclo Rankine nello scambiatore, tramite detto ulteriore raffreddamento si prevede di far condensare il gas. In un aspetto, detto almeno un dispositivo di raffreddamento è configurato per far condensare il gas. In un aspetto, una pompa è posta a valle di detto dispositivo di raffreddamento ed è configurata per pompare il gas condensato in fase liquida o di fluido ipercritico verso la caldaia.

In un aspetto, dopo la cessione di calore dal ciclo superiore a gas al ciclo Rankine nello scambiatore, si prevede di eseguire una compressione inter-refrigerata di detto gas attraverso una serie di compressori alternati a dispositivi di raffreddamento. In un aspetto, il primo circuito chiuso comprende una serie di compressori alternati a dispositivi di raffreddamento posti tra lo scambiatore e la caldaia, in cui si prevede di eseguire una compressione inter-refrigerata di detto gas attraverso detta serie di compressori alternati ai dispositivi di raffreddamento.

In un aspetto, dopo la cessione di calore dal ciclo superiore al ciclo Rankine nello scambiatore, si prevede di eseguire dapprima una compressione inter-refrigerata di detto gas, preferibilmente attraverso almeno un compressore ed un dispositivo di raffreddamento, più preferibilmente tramite una serie di compressori alternati a dispositivi di raffreddamento, e poi una condensazione, preferibilmente attraverso un ulteriore dispositivo di raffreddamento.

In un aspetto, dopo il raffreddamento con eventuale condensazione e la compressione e/o pompaggio e prima del riscaldamento del gas nella caldaia, si prevede di accoppiare operativamente in una caldaia (o scambiatore di calore) ausiliaria una sorgente di calore ausiliaria al gas del primo circuito chiuso (Brayton o Brayton modificato con condensazione) per eseguire un riscaldamento ausiliario del gas ad una temperatura ausiliaria variabile minore di una temperatura primaria variabile della sorgente di calore a temperatura variabile. In un aspetto, il primo circuito chiuso comprende una caldaia ausiliaria posta a valle della pompa o della serie di compressori alternati ai dispositivi di raffreddamento e la caldaia, per eseguire un riscaldamento ausiliario del gas ad una temperatura ausiliaria variabile minore di una temperatura primaria variabile della sorgente di calore a temperatura variabile.

In un aspetto, il ciclo termodinamico prevede una condensazione del gas e successivamente un riscaldamento ausiliario ad una temperatura ausiliaria variabile minore di una temperatura primaria variabile della sorgente di calore a temperatura variabile. In un aspetto, il ciclo termodinamico prevede una compressione refrigerata del gas e successivamente un riscaldamento ausiliario ad una temperatura ausiliaria variabile minore di una temperatura primaria variabile della sorgente di calore a temperatura variabile.

La Richiedente ha verificato che le soluzioni preferite qui sopra descritte consentono di sfruttare, oltre alla sorgente di calore a temperatura variabile che definiamo come primaria, anche una o più sorgenti ausiliarie a temperatura/e minore. Infatti, come in precedenza già evidenziato, le soluzioni preferite qui sopra descritte (con condensazione o compressione refrigerata del gas nell’intorno del punto critico) permettono di ottenere temperature più basse e curve di recupero più orizzontali (perché si hanno livelli termici più bassi e calori specifici Cp apparenti molto minori) e si può dunque sfruttare anche il calore prodotto da sorgenti ausiliarie con temperature più basse.

Ad esempio, è possibile sfruttare i fumi di scarico di motori endotermici come sorgente primaria di calore a temperatura variabile ed utilizzare il calore proveniente dalle camicie di raffreddamento o dall’intercooler o dall’olio come sorgente ausiliaria. Oppure, nei treni di compressione gas, si può ricavare la sorgente primaria dalla turbina a gas e il calore secondario dall’inter-refrigerazione del compressore del gasdotto o similare trascinato. In definitiva, la Richiedente ha verificato che le soluzioni preferite qui sopra descritte (con condensazione o compressione refrigerata del gas) permettono di sfruttare sostanzialmente tutto il calore utile disperso dalle sorgenti a temperatura variabile.

Al contrario, la soluzione proposta nel documento anteriore WO 2011/059563 prevede che l’anidride carbonica in uscita dal compressore sia a circa 210°C per cui essa non è sfruttabile per ricevere calore da una sorgente ausiliaria. Per abbassare tale temperatura, WO 2011/059563 adotta infatti un ulteriore scambiatore che complica la struttura e inoltre, anche dopo il passaggio in tale ulteriore scambiatore di calore, non è in grado di abbassare la temperatura sotto i 120°.

In un aspetto, il fluido di lavoro del ciclo inferiore è scelto dal gruppo comprendente: acqua (H2O) o un fluido organico, preferibilmente un idrocarburo (ciclopentano, normal-pentano, iso-pentano, normal-butano, iso-butano), un silossano, un perfluorurato o un fluido refrigerante commerciale (R245fa, R134a, R1233zde, R1234ze).

In un aspetto, dopo la condensazione o compressione e prima del riscaldamento del gas nella caldaia ausiliaria, una temperatura minima del gas è compresa tra circa 30°C e circa 90°C, preferibilmente tra circa 40°C e circa 80°C.

In un aspetto, la temperatura ausiliaria variabile è compresa tra circa 50°C e circa 120°C.

In un aspetto, la temperatura primaria variabile è compresa tra circa 100°C e circa 600°C.

In una forma realizzativa preferita, il gas del ciclo superiore si trova in prossimità del punto critico nella fase finale di cessione del calore e nella fase di compressione ed il primo circuito chiuso comprende almeno un dispositivo di raffreddamento posto tra lo scambiatore e la caldaia, in cui si prevede di far condensare il gas tramite detto dispositivo di raffreddamento. Preferibilmente, dopo la condensazione e prima del riscaldamento del gas nella caldaia ausiliaria, una temperatura minima del gas è compresa tra circa 30°C e circa 40°C.

In una diversa forma realizzativa preferita, il gas del ciclo superiore si trova in prossimità del punto critico ed il primo circuito chiuso a ciclo superiore comprende una serie di compressori alternati a dispositivi di raffreddamento posti tra lo scambiatore e la caldaia, in cui si prevede di eseguire una compressione interrefrigerata di detto gas attraverso detta serie di compressori alternati ai dispositivi di raffreddamento. Preferibilmente, dopo la compressione inter-refrigerata e prima del riscaldamento del gas nella caldaia ausiliaria, una temperatura minima del gas è compresa tra circa 30°C e circa 40°C.

In un aspetto, si prevede di variare le percentuali dei componenti della miscela, preferibilmente di SF6 e CO2, sia al fine dell’ottimizzazione del ciclo e delle macchine in fase di progettazione che durante il processo. Tali variazioni sono preferibilmente utilizzate per mantenere le portate volumetriche del gas sostanzialmente costanti al variare, ad esempio, della temperatura delle sorgenti termiche e della temperatura della sorgente fredda.

La miscela può essere variata per meglio adattarsi alle condizioni di installazione (ottimizzazione dell’efficienza di macchine e ciclo durante la progettazione) e inoltre si può variare al fine di ottimizzare il rendimento sia nell’arco della giornata che nell’ambito di processi caratterizzati da stagionalità (ad esempio le turbine a gas lavorano in condizioni diverse con il caldo e con il freddo, quindi anche i cicli sottostanti vedranno una differenza sia nella parte calda che in quella fredda). Inoltre, la regolazione della miscela può essere utilizzata nella regolazione della pressione minima.

In un aspetto, il primo circuito chiuso comprende un dispositivo di compressioneespansione comprendente almeno un compressore ed un terzo espansore meccanicamente collegati tra loro; in cui il compressore è configurato per eseguire la compressione inter-refrigerata; in cui il terzo espansore riceve il gas dal secondo espansore e/o direttamente dalla caldaia e movimenta detto almeno un compressore.

In un aspetto, detto almeno un compressore ed il terzo espansore sono collegati da un sistema di ingranaggi.

In un aspetto, il dispositivo di compressione-espansione è collegato al primo generatore o ad un ulteriore generatore.

In un aspetto, gli espansori sono del tipo radiale centripeto e/o centrifugo. In una aspetto gli espansori sono turbine radiali. In un aspetto, il secondo espansore è a giri fissi.

In un aspetto, una valvola di ingresso o un dispositivo di variazione della geometria di turbina IGV (inlet guide vane) è posta all’ingresso del terzo espansore per regolare la velocità e la pressione del dispositivo di compressione-espansione in modo da ottimizzare l’efficienza del ciclo.

In un aspetto, i compressori sono del tipo centrifugo e/o volumetrico.

In un aspetto, gli espansori sono del tipo centrifugo e/o centripeto e/o assiale.

In un aspetto, l’impianto comprende un serbatoio di stoccaggio off-line operativamente collegabile, preferibilmente tramite una valvola di ingresso, più preferibilmente una turbina a geometria d’ingresso variabile IGV, al primo circuito tra il terzo espansore e lo scambiatore, in cui detto serbatoio di stoccaggio è configurato per contenere il gas o almeno un componente del gas. Il gas nel serbatoio di stoccaggio serve a regolare la pressione minima/media del ciclo superiore in modo da ottimizzare l’efficienza del ciclo e per regolare la portata volumetrica in compressione ed espansione al variare del carico.

In un aspetto, la sorgente di calore a temperatura variabile comprende: fumi di scarico di turbine a gas o fumi e calore di scarico di motori endotermici o applicazioni CSP con collettori solari con collettori a olio o sali o calore di inter-refrigerazione dei compressori o calore di raffreddamento intercooler, olio e camicie dei motori endotermici o calore di scarto industriale o fumi di combustione di biomasse e rifiuti. Ulteriori caratteristiche e vantaggi appariranno maggiormente dalla descrizione dettagliata di forme d’esecuzione preferite, ma non esclusiva, di un processo/impianto e di un ciclo termodinamico per la produzione di potenza meccanica e/o elettrica da sorgenti di calore a temperatura variabile in accordo con la presente invenzione.

Descrizione dei disegni

Tale descrizione verrà esposta qui di seguito con riferimento agli uniti disegni, forniti a solo scopo indicativo e, pertanto, non limitativo, nei quali:

la figura 1 illustra un ciclo termodinamico ideale di Lorenz per la produzione di potenza meccanica e/o elettrica da sorgenti di calore a temperatura variabile;

la figura 2 illustra un ciclo termodinamico per la produzione di potenza meccanica e/o elettrica da sorgenti di calore a temperatura variabile in accordo con la presente invenzione;

la figura 3 illustra un impianto configurato per realizzare il ciclo di figura 2; la figura 4 illustra una variante del ciclo di figura 2;

la figura 5 illustra una variante di una parte deirimpianto di figura 3 configurata per realizzare il ciclo di figura 4;

la figura 6 illustra una ulteriore variante di una parte dell’impianto di figura 3; la figura 7 illustra schematicamente una sorgente di calore a temperatura variabile accoppiabile agli impianti di figure 3, 4 e 5;

la figura 8 illustra una diversa sorgente di calore a temperatura variabile accoppiabile agli impianti di figure 3, 4 e 5.

Descrizione dettagliata

Con riferimento alle figure citate, con il numero di riferimento 1 è stato complessivamente indicato un impianto per la produzione di potenza meccanica e/o elettrica da sorgenti di calore a temperatura variabile in accordo con la presente invenzione.

Con particolare riferimento alla figura 3, l’impianto 1 comprende un primo circuito chiuso 2 a ciclo Brayton BC ed un secondo circuito chiuso 3 a ciclo Rankine RC. Il primo circuito chiuso 2 comprende: un primo espansore 4, un primo generatore elettrico 5 accoppiato al primo espansore 4, una caldaia 100, una serie di compressori 6 alternati a dispositivi di raffreddamento 7’, 7’’, 7’’’ e attuati da un motore 8, prime condutture configurate per collegare il primo espansore 4, la caldaia 100 e la serie di compressori 6 alternati ai dispositivi di raffreddamento 7’, 7’’, 7’’’ secondo il primo circuito chiuso 2. Nel primo circuito chiuso 2 circola un gas G costituito da una miscela di esafluoruro di zolfo (SF6) e anidride carbonica (CO2). La caldaia 100 è interposta tra i compressori 6 ed il primo espansore 4. A valle dei compressori 6, una linea 9 delle prime condutture si biforca in una linea principale 10 e in una linea ausiliaria 11. La linea principale 10 attraversa la caldaia 100 ove è lambita, ad esempio, dai fumi di scarico di un motore a combustione interna, illustrato schematicamente in figura 7. Tali fumi di scarico costituiscono una sorgente di calore a temperatura variabile.

La linea ausiliaria 11 attraversa una caldaia ausiliaria 101 dove riceve, ad esempio, il calore proveniente dalle camicie di raffreddamento del medesimo motore a combustione interna. La linea ausiliaria 11 si ricongiunge alla linea principale 10 in un punto interno alla caldaia 100, per cui la caldaia ausiliaria 101 è in parte parallela alla caldaia 100. In altre parole, la caldaia 100 comprende una prima porzione 100’ in cui fluisce una prima frazione del gas proveniente dai compressori 6 e una seconda porzione 100’’ in cui fluisce l’intera portata del gas proveniente dai compressori 6. La prima porzione 100’ è disposta in parallelo alla caldaia ausiliaria 101 attraverso la quale fluisce una seconda frazione del gas proveniente dai compressori 6.

Il secondo circuito chiuso 3 comprende: uno scambiatore 12, un secondo espansore 13, un secondo generatore 14 operativamente collegato al secondo espansore 13, un condensatore 15, una pompa 16. Seconde condutture collegano secondo un ciclo lo scambiatore 12, il secondo espansore 13, il condensatore 15 e la pompa 16 secondo il secondo circuito chiuso in cui circola un fluido di lavoro WF organico, ad esempio un idrocarburo, come il ciclopentano.

Una porzione del primo circuito chiuso posta a valle del primo espansore 4 e a monte della serie di compressori 6 è operativamente accoppiata allo scambiatore 12 del secondo circuito chiuso.

Il gas del primo circuito chiuso 2 è riscaldata nella caldaia 100 e nella caldaia ausiliaria 101, fluisce attraverso il primo espansore 4 ove si espande, provocando il movimento del primo espansore 4 e del primo generatore elettrico 5 che genera così energia elettrica. Il gas espanso entra successivamente nello scambiatore 12 dove cede calore al fluido organico del ciclo Rankine e si raffredda.

Successivamente, si prevede di eseguire una compressione inter-refrigerata del gas attraverso i compressori 6 alternati ai dispositivi di raffreddamento 7’, 7’’, 7’’’ prima che il gas ritorni nella caldaia 100 e nella caldaia ausiliaria 101.

Il fluido organico del secondo circuito 3 è riscaldato e vaporizzato nel nello scambiatore 12 tramite il calore ceduto dal gas. Il fluido organico allo stato di vapore uscente dallo scambiatore 12 entra nel secondo espansore 13 ove si espande, provocando il movimento del secondo espansore 13 e del secondo generatore elettrico 14 che genera così energia elettrica. Il fluido organico espanso entra successivamente nel condensatore 15 dove viene riportato alla fase liquida e qui di nuovo pompato dalla pompa 16 nello scambiatore 12.

Con riferimento al diagramma T-S di figura 2, il ciclo termodinamico realizzato dall’impianto 1 sopra descritto per la produzione di potenza meccanica e/o elettrica da sorgenti di calore a temperatura variabile, comprende un ciclo superiore chiuso Brayton BC a gas G accoppiato ad una sorgente di calore a temperatura variabile per ricevere il calore in ingresso da detta sorgente a temperatura variabile; un ciclo inferiore chiuso Rankine RC operativamente accoppiato al ciclo superiore chiuso Brayton per ricevere almeno parte del calore scaricato da detto ciclo superiore chiuso Brayton.

Le lettere A,B,C,D,E,G,X,Y,T,V indicano la corrispondenza tra i punti del ciclo di figura 2 e i punti dell’impianto di figura 3.

Come si può notare, la miscela di gas nel punto A di figura 2 si trova all’uscita dell’ultimo compressore 6 di figura 3 con una temperatura di circa 48°C poco al di sopra della campana di Andrews. La miscela si scalda assorbendo calore tra punti A e B sia dalla sorgente di calore ausiliaria (nella caldaia ausiliaria 101) che dalla sorgente di calore principale (nella prima porzione 100’ della caldaia principale 100).

La sorgente di calore ausiliaria è a circa 70 °C e la sorgente di calore principa le è a circa 560°C.

La miscela continua a scaldarsi tra i punti B e C assorbendo calore dalla sola sorgente di calore principale nella seconda porzione 100’’ della caldaia principale 100 fino a raggiungere circa i 530°C (nel punto C). La miscela si espande e si raffredda (fino a circa 420°C) tra i punti C e D, attraverso il primo espa nsore 4, e poi cede calore tra i punti D e E al fluido di lavoro del ciclo Rankine che invece è riscaldato e vaporizzato (punti V e X). Nel punto E la miscela si trova a circa 55°C. Il fluido di lavoro del ciclo Rankine si scalda da circa 66°C nel punto V a circa 250°C nel punto X.

La miscela continua a cedere calore nel primo 7’ dei dispositivi di raffreddamento 7’, 7’’, 7’’’ che incontra (tratto E - G) poi viene compressa e raffreddata due volte (fino ad una temperatura minima di circa 35°C) per poi giungere di nuovo nel punto A tramite un’ulteriore compressione. La retta che rappresenta l’ultimo raffreddamento prima della compressione finale è sostanzialmente tangente alla campana di Andrews.

Il fluido di lavoro del ciclo Rankine vaporizzato si espande tra X e Y (in cui raggiunge i 200°C) attraverso il secondo espansore 13 e poi cede calore (fino a circa 35°C) e viene riportato alla fase liquida tra Y e T attraverso il condensatore 15. Tra V e T la pompa 16 lo riporta nel punto V.

La figura 5 illustra una variante dell’impianto 1 in cui il primo circuito 2 presenta delle differenze rispetto alla figura 3 (il secondo circuito 3 è stato rappresentato solo schematicamente perché può essere identico a quello di figura 3) e la figura 4 è il diagramma T-S realizzato dall’impianto 1 di figura 5.

Come si può notare, il secondo circuito 2 presenta due soli compressori 6 ed una pompa 17 posta a valle dell’ultimo dispositivo di raffreddamento 7’’’.

Una diversa composizione della miscela (SF6 e CO2) e la configurazione dei dispositivi di raffreddamento 7’, 7’’, 7’’’ e dei compressori 6 è tale per cui, come illustrato nel diagramma T-S di figura 4, la miscela continua a cedere calore nel primo 7’ dei dispositivi di raffreddamento 7’, 7’’, 7’’’ che incontra (tratto E - G) poi viene compressa e raffreddata due volte (G - G’) per poi condensare tra G’ e G’’ (tratto orizzontale interno alla campana di Andrews) nell’ultimo dispositivo di raffreddamento 7’’’ prima giungere di nuovo nel punto A attraverso il passaggio nella pompa 17.

La miscela liquida condensata si trova nel punto G’ a circa 35°C e nel punto A è ancora a circa 48°C. Nel punto C la miscela è a circa 530°C e dopo l’espansione (in D) è a circa 405°C.

Anche l’impianto 1 secondo questa variante è in grado di assorbire calore da una sorgente di calore ausiliaria a circa 70 °C e da una sorgente di calore principale a circa 560°C.

La figura 6 illustra una ulteriore forma realizzativa del primo circuito 2 configurata per attuare il ciclo di figura 2. Come si può notare, sostanzialmente tutti gli elementi sono gli stessi del primo circuito 2 di figura 3 e sono stati identificati con i medesimi numeri di riferimento.

A differenza del primo circuito 2 di figura 3, la serie di compressori 6 è parte di un dispositivo di compressione-espansione 18 che, oltre al primo, secondo e terzo compressore 6’, 6’’, 6’’’, comprende un terzo espansore 19 preferibilmente radiale centrifugo o centripeto. In particolare, il dispositivo di compressione-espansione 18 comprende il primo compressore 6’ il quale presenta un albero in comune con il terzo espansore 19 e/o tale albero è assialmente allineato a quello del terzo espansore 19. Il dispositivo di compressione-espansione 18 comprende il secondo compressore 6’’ il quale presenta un albero in comune con il terzo compressore 6’’’ e/o tale albero assialmente allineato al terzo compressore 6’’’. Il terzo compressore 6’’’ è preferibilmente un compressore centrifugo ad alta pressione (HP compressor). Ad esempio, il terzo compressore 6’’’ illustrato in figura 6 è multistadio. La coppia formata dal primo compressore 6’ e dal terzo espansore 19 è disposta in parallelo alla coppia formata dal secondo e dal terzo compressore 6’’, 6’’’ e le due coppie sono meccanicamente collegate da un sistema di ingranaggi 20, schematicamente illustrato in figura 6, in modo che i tre compressori 6’, 6’’, 6’’’ ricevono il moto dal terzo espansore 19.

L’uscita di fluido del primo espansore 4 è collegata all’ingresso del terzo espansore 19 e la miscela in uscita dal terzo espansore 19 entra nello scambiatore 12 prima di attraversare i tre compressori 6’, 6’’, 6’’’. L’espansione della miscela nel terzo espansore genera pertanto l’energia meccanica che movimenta i compressori 6’, 6’’, 6’’’. Una valvola di ingresso 21 o un dispositivo di variazione della geometria di ingresso turbina IGV (inlet guide vane) serve a regolare la velocità e la pressione del dispositivo di compressione-espansione.

Il primo circuito 2 di figura 6 comprende inoltre un serbatoio di stoccaggio 22 collegato tramite una valvola di regolazione 23 ad un punto del primo circuito 2 posto tra il terzo espansore 19 e lo scambiatore 12. Tale serbatoio di stoccaggio 22 può contenere la miscela o uno dei suoi componenti e serve a regolare la pressione minima/media del ciclo per ottimizzarne l’efficienza mantenendo portate volumetriche più elevate anche a carichi parziali per effetto della riduzione della pressione minima (nei limiti degli effetti di vicinanza al punto critico). Ad esempio, il serbatoio contiene SF6 e viene utilizzato per cambiare la percentuale di SF6 e CO2 nella miscela circolante nel primo circuito 2 in modo da mantenere le portate volumetriche del gas sostanzialmente costanti al variare, ad esempio, della temperatura.

In un’ulteriore forma realizzativa del primo circuito 2, non illustrata, i compressori del dispositivo di compressione-espansione 18 sono del tipo volumetrico a pistoni. In un’ulteriore forma realizzativa del primo circuito 2, non illustrata, il secondo espansore 4 non è presente, il terzo espansore 19 svolge anche la funzione del secondo espansore 4 ed il sistema di ingranaggi 20 è inoltre collegato al primo generatore 5.

In un’ulteriore forma realizzativa del primo circuito 2, non illustrata, il terzo compressore 6’’’ non è parte del dispositivo di compressione-espansione 18 ma è indipendente ed è provvisto di un proprio motore.

Le figure 7 e 8 illustrano schematicamente le sorgenti di calore sfruttabili tramite il ciclo, il processo e l’impianto della presente invenzione. In tali figure 7 e 8 sono rappresentati solamente la caldaia 100 e la caldaia ausiliaria 101 appartenenti agli impianti di figure 3, 5 e 6.

In figura 7 è rappresentato un motore 24 a combustione interna, ad esempio a pistoni. La sorgente di calore principale è costituita dai fumi di scarico 25 del motore 24 che fluiscono attraverso la caldaia 100. Inoltre, la sorgente di calore ausiliaria comprende calore estratto, tramite appositi scambiatori, dal circuito dell’olio 26, dall’acqua delle camicie 27, dall’intercooler 28. Tali sorgenti cedono calore ad esempio ad un’acqua pressurizzata che viene pompata nella caldaia ausiliaria 101.

In figura 8 è rappresentato un turbogas (turbina 29, camera di combustione 30 e compressore 31) collegato ad un compressore trascinato 32. La sorgente di calore principale è costituita dai gas di scarico 33 della turbina 29 del turbogas 28 che fluiscono attraverso la caldaia 100. La sorgente ausiliaria è costituita dai gas compressi 34 uscenti dal compressore trascinato 32 che fluiscono attraverso la caldaia ausiliaria 101.

In una ulteriore variante realizzativa in cui la il compressore 31 del turbogas 28 è inter-refrigerato e la sorgente ausiliaria può comprendere il calore estratto dagli inter-refrigeratori del compressore del turbogas.

Di seguito è riportata una tabella relativa ad un ulteriore esempio dell’invenzione comparato con un ciclo del tipo descritto nel documento WO2011/059563 (con ciclo ad anidride carbonica lontano dal punto critico). Considerando la medesima sorgente, ovvero un motore a combustione interna (come quello di figura 7) con una temperatura (T in) dei fumi di scarico 25 di 347°C, si nota innanzitutto che la temperatura di uscita (Tout) dei medesimi fumi 25 dopo aver ceduto calore al gas (G) tra i punti A e C dell’invenzione è di 100°C mentre nella tecnica nota tale temperatura è superiore, ovvero pari a 120°C. Inoltre, l’invenzione sfrutta anche una fonte ausiliaria (figura 7, intercooler 27, camicie 28, circuito olio 26) che invece il sistema noto non può sfruttare. Ne deriva che la potenza netta totale (11200 kWte) generata dal primo generatore 5 collegato al primo espansore 4 secondo l’invenzione è superiore alla potenza (9540 kWte) generata dal generatore collegato alla turbina del sistema secondo l’arte nota.

Tabella

WO2011/059563 Invenzione

T in fumi 347 347 °C

T out fumi 120 100 °C

P th fumi 42700 46450 kWth

T in fonte ausiliaria - 96 °C

T out fonte ausiliaria - 90 °C

P th fonte ausiliaria - 5600 kWth

P th totale 42700 52050 kWth

P net totale 9540 11200 kWe

Lista elementi

1 impianto

2 primo circuito chiuso

3 secondo circuito chiuso

4 primo espansore

5 primo generatore

6, 6’, 6’’, 6’’’ compressori

7’, 7’’, 7’’’ dispositivi di raffreddamento

8 motore

9 linea

10 linea principale

11 linea ausiliaria

12 scambiatore

13 secondo espansore

14 secondo generatore

15 condensatore

16 pompa ciclo Rankine

17 pompa ciclo Brayton

18 dispositivo di compressione-espansione 19 terzo espansore

20 sistema di ingranaggi

21 valvola di ingresso

22 serbatoio di stoccaggio

23 valvola di regolazione

24 motore a combustione interna

25 fumi di scarico del motore

26 circuito dell’olio del motore

27 intercooler del motore

28 camicie del motore

29 turbina

30 camera di combustione

31 compressore

32 compressore trascinato

33 gas di scarico del turbogas 34 gas compressi

100 caldaia

100’ prima parte della caldaia 100’’ seconda parte della caldaia 101 caldaia ausiliaria

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Processo a ciclo termodinamico per la produzione di potenza meccanica e/o elettrica da sorgenti di calore a temperatura variabile, comprendente: far circolare un gas (G) in un primo circuito chiuso (2) secondo un ciclo superiore a gas, in cui detto gas (G) è riscaldato, espanso in un primo espansore (4), asservito ad un primo generatore elettrico (5) o ad una prima utenza meccanica, raffreddato, compresso e di nuovo riscaldato; accoppiare operativamente in una caldaia (100) una sorgente di calore a temperatura variabile al gas del primo circuito chiuso (2) per eseguire detto riscaldamento del gas (G); far circolare un fluido di lavoro (WF) in un secondo circuito chiuso (3) secondo un ciclo inferiore Rankine, in cui detto fluido di lavoro (WF) è riscaldato e vaporizzato, espanso in un secondo espansore (13), asservito ad un secondo generatore elettrico (14) o ad una seconda utenza meccanica, condensato e di nuovo riscaldato e vaporizzato; accoppiare operativamente, in uno scambiatore (12), il gas (G) espanso del ciclo superiore al fluido di lavoro (WF) del ciclo inferiore Rankine condensato e ad alta pressione, al fine di raffreddare il gas (G) e riscaldare e vaporizzare detto fluido di lavoro (WF) tramite cessione di calore da detto ciclo superiore a detto ciclo inferiore Rankine; in cui, dopo la cessione di calore dal ciclo superiore al ciclo inferiore Rankine nello scambiatore (12), il gas (G) del ciclo superiore è ulteriormente raffreddato in almeno un dispositivo di raffreddamento (7’, 7”, T”) fino a portarlo in prossimità del proprio punto critico.
2. Processo secondo la rivendicazione 1 , in cui il ciclo superiore a gas è del tipo Brayton.
3. Processo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui, tramite detto ulteriore raffreddamento, si prevede di far condensare il gas (G).
4. Processo secondo la rivendicazione 1 o 2 o 3, in cui, dopo la cessione di calore dal ciclo superiore al ciclo inferiore nello scambiatore (7’), il gas (G) del ciclo superiore si trova in prossimità del punto critico e si prevede di eseguire una compressione inter-refrigerata di detto gas (G) attraverso una serie di compressori (6, 6’, 6”, 6’”) alternati a dispositivi di raffreddamento (7’, 7”, T").
5. Processo secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui, dopo la condensazione e/o la compressione e prima del riscaldamento del gas (G) nella caldaia (100), si prevede di accoppiare operativamente in una caldaia ausiliaria (101) una sorgente di calore ausiliaria al gas del primo circuito chiuso per eseguire un riscaldamento ausiliario del gas (G) ad una temperatura ausiliaria variabile (Taux) minore di una temperatura primaria variabile (Tmain) della sorgente di calore a temperatura variabile.
6. Processo secondo la rivendicazione 3, 4 o 5, in cui, appena prima del riscaldamento del gas (G) nella caldaia ausiliaria (101), una temperatura minima (Tmin) del gas (G) è compresa tra circa 30°C e circa 90°C.
7. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la temperatura primaria variabile (Tmain) è compresa tra circa 100°C e circa 600°C.
8. Processo secondo la rivendicazione 5, in cui la temperatura ausiliaria variabile (Taux) è compresa tra circa 100°C e circa 50°C.
9. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il gas comprende esafluoruro di zolfo (SF6) o una miscela di esafluoruro di zolfo e anidride carbonica (CO2), trifluorometano o R23 (CHF3), difluorometano o R32 (CH2F2), xenon (Xe) o monossido di azoto (N2O) e in cui il fluido di lavoro (WF) è scelto dal gruppo comprendente acqua o un fluido organico.
10. Processo secondo la rivendicazione 5, in cui il gas è anidride carbonica (CO2).
11. Impianto per la produzione di potenza meccanica e/o elettrica da sorgenti di calore a temperatura variabile, comprendente: un primo circuito chiuso (2) per un ciclo superiore a gas comprendente: un primo espansore (4); un primo generatore elettrico (5) o una prima utenza meccanica accoppiato al primo espansore (4); una caldaia (100); prime condutture configurate per collegare il primo espansore (4) e la caldaia (100) secondo il primo circuito chiuso (2) in cui circola un gas (G); un secondo circuito chiuso (3) per un ciclo inferiore Rankine comprendente: uno scambiatore (12); un secondo espansore (14); un secondo generatore (13) o una seconda utenza meccanica operativamente collegato/a al secondo espansore (13); un condensatore (15); una pompa (16); seconde condutture configurate per collegare lo scambiatore (12), il secondo espansore (13), il condensatore (15) e la pompa (16) secondo il secondo circuito chiuso (3) in cui circola un fluido di lavoro (WF); in cui la caldaia (100) del primo circuito chiuso (2) è operativamente accoppiata ad una sorgente di calore a temperatura variabile; in cui una porzione del primo circuito chiuso (2) posta a valle del primo espansore (4) è operativamente accoppiata allo scambiatore (12) del secondo circuito chiuso (3); in cui il primo circuito chiuso (2) comprende almeno un dispositivo di raffreddamento (7’, 7’’, 7’’’) posto tra lo scambiatore (12) e la caldaia (100), in cui detto almeno un dispositivo di raffreddamento (7’, 7’’, 7’’’) è configurato per raffreddare ulteriormente il gas (G) fino a portarlo in prossimità del proprio punto critico.
12. Impianto secondo la rivendicazione 11, in cui detto almeno un dispositivo di raffreddamento (7’, 7’’, 7’’’) è configurato per far condensare il gas (G).
13. Impianto secondo la rivendicazione precedente, in cui una pompa (17) è posta a valle di detto dispositivo di raffreddamento (7’, 7’’, 7’’’) ed è configurata per pompare il gas condensato in fase liquida verso la caldaia (100).
14. Impianto secondo la rivendicazione 11 o 12, in cui il primo circuito chiuso (2) comprende una serie di compressori (6, 6’, 6’’, 6’’’) alternati a dispositivi di raffreddamento (7’, 7’’, 7’’’) posti tra lo scambiatore (12) e la caldaia (100), in cui si prevede di eseguire una compressione inter-refrigerata di detto gas (G) attraverso detta serie di compressori (6, 6’, 6’’, 6’’’) alternati ai dispositivi di raffreddamento (7’, 7’’, 7’’’).
15. Impianto secondo la rivendicazione 13 o 14, in cui il primo circuito chiuso (2) comprende una caldaia ausiliaria (101) posta tra la pompa (17) o la serie di compressori (6, 6’, 6’’, 6’’’) alternati ai dispositivi di raffreddamento (7’, 7’’, 7’’’) e la caldaia (100), per eseguire un riscaldamento ausiliario del gas (G) ad una temperatura ausiliaria variabile (Taux) minore di una temperatura primaria variabile (Tmain) della sorgente di calore a temperatura variabile.
16. Ciclo termodinamico per la produzione di potenza meccanica e/o elettrica da sorgenti di calore a temperatura variabile, comprendente: un ciclo superiore chiuso a gas accoppiato ad una sorgente di calore a temperatura variabile per ricevere il calore in ingresso da detta sorgente a temperatura variabile; un ciclo inferiore chiuso Rankine operativamente accoppiato al ciclo superiore chiuso per ricevere almeno parte del calore scaricato da detto ciclo superiore chiuso; in cui, dopo la cessione di calore dal ciclo superiore al ciclo inferiore Rankine, il gas (G) del ciclo superiore è ulteriormente raffreddato fino a portarlo in prossimità del proprio punto critico.
17. Ciclo termodinamico secondo la rivendicazione 16, in cui il ciclo superiore a gas è del tipo Brayton.
18. Ciclo termodinamico secondo la rivendicazione 16 o 17, in cui il ciclo superiore chiuso a gas (G), a valle della cessione di calore al ciclo inferiore Rankine, prevede una condensazione del gas (G) e successivamente un riscaldamento ausiliario ad una temperatura ausiliaria variabile (Taux) minore di una temperatura primaria variabile (Tmain) della sorgente di calore a temperatura variabile.
19. Ciclo termodinamico secondo la rivendicazione 16 o 17, in cui il ciclo superiore chiuso, a valle della cessione di calore al ciclo inferiore Rankine, prevede una compressione refrigerata del gas (G) e successivamente un riscaldamento ausiliario ad una temperatura ausiliaria variabile (Taux) minore di una temperatura primaria variabile (Tmain) della sorgente di calore a temperatura variabile.
20. Ciclo termodinamico secondo una delle rivendicazioni da 16 a 19, in cui il gas comprende esafluoruro di zolfo (SF6) o una miscela di esafluoruro di zolfo e anidride carbonica (CO2), trifluorometano o R23 (CHF3), difluorometano o R32 (CH2F2), xenon (Xe) o monossido di azoto (N2O) e in cui il fluido di lavoro (WF) è acqua o un fluido organico.
21. Ciclo termodinamico secondo la rivendicazione 19, in cui il gas è anidride carbonica (CO2).
22. Ciclo termodinamico secondo una delle rivendicazioni da 16 a 21, in cui la sorgente di calore a temperatura variabile comprende: fumi di scarico di turbine a gas o fumi e calore di scarico di motori endotermici o applicazioni CSP con collettori solari con collettori a olio o Sali o calore di inter-refrigerazione dei compressori o calore di raffreddamento intercooler, olio e camicie dei motori endotermici o calore di scarto industriale o fumi di combustione di biomasse e rifiuti.