IT8021928A1 - Sistema a circuito chiuso con caldaia alimentata da fluido geotermico, da combustibili a basso potere calorifico o dal calore latente del vapore di scarico di una turbina a vapor d'acqua con turbina a vapore di miscela di protossido di azoto (N2O) e di anidride carbonica (CO2) - Google Patents
Sistema a circuito chiuso con caldaia alimentata da fluido geotermico, da combustibili a basso potere calorifico o dal calore latente del vapore di scarico di una turbina a vapor d'acqua con turbina a vapore di miscela di protossido di azoto (N2O) e di anidride carbonica (CO2) Download PDFInfo
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Description
Descrizione dell'invenzione avente per titolo : " Sistema a circuito chiuso con caldaia alimentata da fluido geotermico, da combustibili a basso potere calorifico o dal calore latente del vapore di scarico di una turbina a vapor d'acqua con turbina a vapore di miscela di protossido di azoto (N2O) e di anidride carbonica (CO2) "
Riassunto
L'invenzione riguarda un sistema per produrre energia meccanica, trasformando l'energia termica contenuta nei giacimenti geotermici, o nei, combustibili a basso potere calorifico, o nel calore latente del vapor d'acqua di scarico di una turbina classica il quale sistema ? costituito, sostanzialmente, da una caldaia, una turbina a vapore, e da un condensatore, in circuito chiuso, dove il fluido intermedio di riscaldamento della caldaia ? un fluido geotermico, un cascame di calore proveniente da un ?ltro impianto convenzionale od i prodotti della combustione di un combustibile a basso potere calorifico, caratterizzato dal fatto che il fluido operante ? una miscela di vapore di protossido di azodo e anidride carboni ca con temperature d'ingresso variabili fra 50?C e 300?C, nonch? dal fatto che la miscela di protossido d'azoto liquido e d?anidride carbonica liquida viene pompato dal condensatore nella caldaia.
Stato della tecnica
Come ? noto, presentemente vengono usate, per lo sfruttamento di fonti energetiche o di altri fluidi a basso contenuto entalpico o turbine a vapore alimentate da vapor d?acqua di provenienza geotermica o turbina a vapore di ammoniaca, dove l?ammoniaca ? stata preventivamente vaporizzata in una caldaia alimentata dal fluido di provenienza geotermica.
Nel primo caso, dove il vapor d'acqua ? di diretta provenienza geotermica, si ? costretti a lavorare, per problemi di incrostazioni e di corrosione, con pressioni e titoli allo scarico non ottimali ; nel secondo caso si ? costretti ad impiegare costosi ed ingombranti scambiatori di calore per trasferire l?energia termica dal fluido geotermico al fluido operante ed a causa del basso livello entalpico, si ? costretti ad operare con un basso livello di pressione, date le caratteristiche della ammoniaca, e quindi con una macchina di alto volume specifico in rapporto alla potenza erogata.
In entrambi i casi il rendimento, concepito come rapporto inverso fra l'energia termica, contenuta in un kg di fluido proveniente, dal sottosuolo o da altra fonte e la energia meccanica prodotta ? molto basso a causa dell'alto calore latente di vaporizzazione dei fluidi presentemente usati
Descrizione dell'invenzione
La presente invenzione ha preso l'avvio dalle precedenti considerazioni per selezionare un fluido che nel campo delle temperatura della geotermia dei fluidi a basso livello entalpico, ed in quello raggiun gibile con i combustibili a basso potere calorifico, fra i 50?C ed i 300?C, si comporti come un vapore dato, per realizzare un sistema che consenta di sfruttare al massimo l'energia contenuta nel kg di fluido geotermico, o nel kg di combustibile a basso potere calorifico o nel kg di fluido a basso livello entalpico, eliminando, ove possibile, i pesanti e costosi scambiatori di calore della caldaia.
La presente invenzione si basa sull'impiego della miscela di protossido d'azoto (N2O) e di anidride carbonica (CO2) come fluido operante per la turbi na a vapore, e lo stesso fluido ? scaldato, ove possibile per contatto diretto con il fluido geotermico o con il giacimento geotermico stesso.
I vantaggi che derivano dall'impiego della miscela di protossido di azoto (N2O) e anidride carboni (CO2 ) come fluido operante e talvolta come flui do intermedio sono:
- la temperatura critica media fra le due provoca il pas saggio di stato dalla fase liquida alla fase di vapore qualunque sia la pressione e pertanto la miscela di proossido di azoto (N2O) e anidride carbonica (CO2) produce vapore surriscaldato alla pressione voluta n?l campo di temperature dove gli altri fluidi usati consentono di produrre solo vapore saturo;
la bassa solubilit? in acqua, calda che consente la produzione di vapore per contatto diretto con il fluido geotermico, o con il giacimento stesso, e la sua successiva immissione diretta nella macchina operatrice;
- il basso calore di vaporizzazione della miscela di pr? -tossido di azoto (N2O) ed anidride carbonica (CO2) , per rapporto agli altri fluidi, che permette di conseguire i pi? alti rendimenti di trasformazione e quindi di sfruttare al massimo il giacimento geotermico od il com bustibile a basso potere calorifico il fluido a basso livello entalpico;
- la miscela di protossido di azoto (N2O) ed anidride carbonica (CO2) non ? tossica, non ? infiammabile, ? stabile alle temperature fra i 50?C ed i 300?C;
- essa ? inoltre di facile produzione ed ? economica.
Un primo esempio di realizzazione del sistema con turbina a vapore di miscela di protossido d?azoto (N2O) e di anidride carbonica (CO2) e con caldaia geotermica, secondo la presente invenzione viene descritto qui di seguito, al quale esempio per altro la presente invenzione non ? limitata. Il sistema ? costitu? to, vedi figura 1 , da una piattaforma "J" sistemata su di in fondale marino, da un giacimento geotermico "G" , schenatizzato da uno strato di roccia impermeabile (R.I. ) che ricopre uno strato di roccia permeabile (R.P.-F.L.D. ) , da pozzo di mandata (Pm) , munito di un sistema di controllo testa pozzo "Tpm", da un sistema d? controllo pressione (Pm' ) , da una turbina a vapore di miscela di protossido di azoto e di anidride carbonica (T) accoppiata ad un alterna -tore (A) , da uno scambiatore di calore (Ec) , da un condensatore (Co) , da una pompa alimento caldaia (Pc) , da un pozzo di ricarica (Pri) munito di sistema di controllo testa pozzo (Tpri) , e da un serbatoio di carica e di ricari ca (Sbc) , munito di valvola di intercettazione V, per la miscela di protossido di azoto (N.O) e di anidride carbonica (CO2) .
Il giacimento G ? in questo esempio , un giacimento geotermale a fase liquida dominante, ma pu? essere indifferentemente un giacimento a fase di vapore dominante, a rocce calde secche od a geopressione.
La miscela di protossido d' azoto (N2 O) , ed anidride carbonica (CO2) . attraverso la pompa (Pc) , viene pompata liquida nel giacimento G dove vaporizza, per effetto del calore del giacimento, sino alla sione voluta.
Il vapore di miscela di protossido d'azoto (N2O )e di anidride carbonica (CO2) viene prelevato come fluido geotermico (Fg) attraverso il pozzo di mandata (Pm) , fatto espandere nella turbina (T) a vapore di miscela di protossido d'azoto (N 2O) ed anidride, carbonica (CO2) , ad una temperatura inferiore a quella del refrigerante del condensatore (Co) , riscaldato ad una temperatura supe riore a quella del refrigerante del condensatore (Co) nello scambiatore (Ec) , per effetto del calore contenuto nelle acque superficiali pi? calde di quelle di fondo, quindi avviato nel condensatore (Co) dove condensa e viene rimandato liquido nel giacimento (G) per mezzo della pompa (P c Come si pu? ben vedere, in questo esem pio lo scambiatore di calore della caldaia ? costituito dalla roccia permeabile del giacimento (G) .
Un secondo esempio di realizzazione del sistema con turbina a vapore di miscela di protossido d'azoto (N2O) e di anidride carbonica (CO2) e con caldai alimentata con fluido geotermico, secondo la presente in venzione, viene descritto qui di seguito, al quale esempio per altro la presente invenzione non ? limitata.
Il sistema ? costituito , (vedi fig.2) da un giacimento geotermico (G) schematizzato da uno strato roccia permeabile (RP) contenente un fluido a fase liquida dominante (F.L.D.) da uno strato diroccia imper meabile (RI) da un pozzo di mandata (Pm) munito di contro lo testa pozzo (Tpm), da un sistema di controllo del fluid di mandata (Pm), da una caldaia (Ca) da una pompa di refluimento (Pr), da un pozzo di ricarica(Pri) munito di controllo testa pozzo (Tpri), da una turbina a vapore di miscela di protossido d?azoto e anidride carbonica (T), accoppiata ad un generatore (A), da un condensatore (Co) attraverso il quale circola il refrigerente (a.f.), dalla pompa di alimento caldaia (Pc), e da un serbatoio di carica di miscela di protossido d'azoto ed anidride carbonica (SbC) munito di valvola V. Il fluido geotermico (Fg) prelevato dal gi?cimento viene fatto circolare nella caldaia (Ca), attraverso il pozzo (Pm) e quindi ripompato nel giacimento (G) attraverso la pompa (Pr) ed il pozzo (Pri).
Nella caldaia (Ca) il fluido (Fg) cede calo re alla miscela di protossido di azoto liquido ed anidride carbonica liquida proveniente dal condensatore (Co), la quale miscela vaporizza e viene fatta lavorare nella turbina a vapore di miscela di protossido di azoto e anidride carbonica (T).
Il circuito chiuso della turbina, condensatore e caldaia viene inizialmente riempito e pressurizza to con miscela di protossido d'azoto (N2O) ed anidride carbonica (CO2) ad una pressione mai inferiore alle 13 at -mosfere.
La miscela di protossido d'azoto liquido e anidride carbonica vaporizzando in caldaia, raggiunge la pressione prefissata, in funzione solo delle pressione della pompa alimento caldaia, in quanto la temperatura in caldaia ? superiore alla temperatura critica media fra i due fluidi, viene fatta espandere nella turbina (T), dove produce lavoro meccanico, e quindi liquefatta nel condensatore (Co) secondo lo schema classico.
Un altro esempio di realizzazione del sistema con turbina a vapore di miscela di protossido d'azoto (N2O) e anidride carbonica (CO2) e con caldaia alimentata dai pr?dotti della combustione di un combusti le a basso potere calorifico, secondo la presente invenzione viene descritto qui di seguito, al quale esempio per altro la presente invenzione non ? limitata.
Il sistema ? costituito da una
caldaia del tipo a tubi d'acqua o tubi di fiamma, da una turbina a vapore di miscela di pr?tossido di azoto, ed anidride carbonica, da un condensatore e da una alimento caldaia in circuito chiuso fra di loro.
Il circuito ? riempito di miscela di protossido d'azoto liquido ed anidride carbonica liquida ad una pressione mai inferiore alle 13 atmosfere in fase di avviamento Nel focolare della caldaia si brucia un qualunque combustibile a basso potere calorifico.
La miscela di protossido di azoto liquido e di anidride carbonica liquida, pompata in caldaia vaporizza ad una pressione in funzione solo della potenza della pompa di alimento caldaia, viene fatta espandere nella turbina vapore di miscela di protossido di azoto ed anidride carbonica e quindi condensata nel condensatore per essere riavviata liquida in caldaia secondo lo schema classico Un altro esempio ? quello dove il sistema ? collegato ad una centrale classica termica a vapor d'acqua sia essa convenzionale od atomica, schematizzata (vedi figura 3 ) da una caldaia a vapor d?acqua munita di focolare (Fo) e fumaiolo (Fu), da una tur bina a vapor d?acqua (Tu,Va), da un condensatore del vapor d'acqua (CoVa), da una pompa del condensatore vapor d'acqua (PcVa), da una mandata di vapore (MaV) ed un ri torno (RiV).
Il sistema in oggetto ? costitu? to da uno scambiatore di calore e da uno scambiatore di calore (Su) sistemati entrambi nella fonte di calore della centrale, da una turbina ( a vapore di miscela di protossido d'azoto ( ed anidride carbonica (CO2), da uno scambiatore di calore (EC2), da un condensatore di vapore di miscela di protossido d'azoto ed anidriie carbonica (CoN2O), da una fonte di refrigerante per il condensatore (Ref) munita di pompa refrigerante (Pref) e da una pompa di alimentazione di caldaia di miscela di pr? tossido d'azoto ed anidride carbonica (PeC02). Lo scambiatore di calore (EC1) ? in circuito chiuso sullo scambiatore (EC2); essi sono pieni dello stesso fluido, generalmente acqua, la cui circolazione ? garantita dalla pompa (PECI).
Come si pu? notare la caldaia del sistema ? costituita dal condensatore del vapor d'acqua della centrale principale che ? refrigerato dalla miscela di protossido d'azoto ed anidride carbonica condensata e refrigerata dal refrigerante (Ref) nel condensatore (CoC02)
La miscela di anidride carbonica liquida e protossido d'azoto, preveniente dal condensatori (CoC02) viene mandata, per mezzo della pompa (PeCO2) alla pressione desiderata, nella caldaia (CoVa), dove assorbe il calore di condensazione del vapor d'acqua, che condensi e ritorna in ciclo nella sua caldaia (CVa), vaporizza non appena raggiunta la temperatura critica e prosegue nello scambiatore di calore (Su) dove surriscalda alla temperatura desiderata.
Quindi viene fatta espandere nella turbina a vapore di miscela di anidride carbonica e protossido di azoto (TuVCO2) e scaricata ad una temperatura che pu? essere di molto inferiore alla temperatura del refrigerante (Ref).
In questo caso passa attraverso lo scambiatore di calore (EC2) dove si riscalda ad una temperatura superiore a quella del refrigerante (Ref), si
condensa nel condensatore (CoCO2) e ritorna in ciclo attr verso la pompa (PeCO2) .
La temperatura di vaporizzazione t critica provoca il passaggio di stato dalla fase liquida alla fase di vapore indipendentemente dalla pressione e pertanto la miscela di anidride carbonica e protossido d'azoto produce vapore surriscaldato nel campo di temperature dove gli altri fluidi consentono di produrre solo vapore saturo
Il basso calore di vaporizzazione della miscela di anidride carbonica e protossido d'azoto per rapporto altri fluidi permette di conseguire i pi? alti rendimenti di trasformazione e quindi di sfrutti re al massimo il calore di condensazione del vapore di acqua
L'alta pressione di scarico, mai inferiore alle 15 atmosfere, consente di realizzare macchine estremamente compatte.
Un altro vantaggio consiste nell'otRivendicazioni
1.- Sistema per produrre energia meccanica trasformando l'energia contenuta nel calore di condensazione del vapo: F d'acqua, con turbina a vapore, a circuito chiuso, caratterizzato dal fatto che il fluido operante ? vapore di miscela di anidride carbonica e protossido d'azoto con temperature di ingresso variabili fra 35?C e 300?C, nonche dal gatto che la miscela di anidride carbonica li qui la e protossido d'azoto liquido viene pompata nel condensato re del vapore d'acqua come fluido refrigerante dello stesso.
2.- Sistema secondo la rivendicazione 1. caratterizzato dal fatto che la miscela di anidride carbonica, e protos -sido d?azoto, auale fluido operante, ? vaporizzata e sur riscaldata per contatto indiretto con il vapore di scari -co di una turbina a vapore.
5.- Sistema secondo le rivendicazioni 1 e 2 caratterizzato dal fatto che la pressione di scarico ? sempre supe riore alle 15 atmosfere.
4 . - Sistema secondo le rivendicazioni 1 , 2 e 3 caratterizzato dal fatto che il circuito ? pressurizzato in par -tenza ad una pressione sempre superiore alle 15 atmosfere .
.- Sistema secondo le rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che il vapore della miscela di, anidride carbonica e protossido d'azoto viene surriscaldato in uno scambiatore di calore alimentato dai cascami di calore de L la centrale a cui il sistema ? attaccato.
6.-: Sistema secondo le rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che la temperatura di scarico della turbina a vapore di miscela di anidride carbonica tossido d'azoto ? inferiore alla temperatura del refrigerante del suo condensatore.
Sistema secondo le rivendicazioni da 1 a 6 per produrre energia meccanica trasformando energia geotermica a basso livello entalpico, od energia termica contenuta in combustibili a basso potere calorifico) con turbina a vapore, a circuito chiuso, caratterizzato dal fatto che il fluido operante ? vapore di miscela di protossido di azoto (N2O) e anidride carbonica (CO2) con temperatura d'ingresso variabile fra 50?C e 300? C, nonch? dal fatto che la miscela di protossido d'azoto e anidride carbonici, (CO2) , liquidi viene pompata nella caldaia.
8.- Sistema secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che la miscela di protossido di azoto liquido ed anidride carbonica, quale fluido operante, viene riscaldata e vaporizzata direttamente nel giacimento che funziona come la caldaia del sistema.
9. Sistema secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che la miscela di protossido d'azoto (N2O) ed anidride carbonica (CO2) , quale fluido operante, viene riscaldata e vaporizzata per contatto indiretto con il giacimento geotermico.
10.- Sistema secondo le rivendicazioni 7 e 8, caratteriz -zato dal fatto che l? miscela di protossido d'azoto e ani -dride carbonica, quale fluido operante, e riscaldata per contatto diretto con il fluido geotermico presente nel giacimento.
11 - Sistema secondo le rivendicazioni 7 e 9 caratterizzato dal latto che la miscela di protossido d'azoto, ed a nidride carbonica, quale fluido operante, ? riscaldata per contatto indiretto con il fluido geotermico presente nel giacimento.
12.- Sistema secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che il fl?ido operante miscela di protossido d'azoto (N20) ed anidride carbonica (CO2) ? vaporizzato in una caldaia alimentata da combustibile a basso poterecalorifico.
13.- Sistema secondo una o pi? delle rivendicazioni da 1 a 12, caratterizzato dal fatto che la pressione di scari co della turbina ? sempre superiore alle 13 atmosfere.
14.- Sistema secondo le rivendicazioni 7,8 e 10, caratterizzato dal fatto che in un condensatore si separa la miscela di protossido d'azoto liquido ed anidride carboni ca liquida da altri fluidi presenti nel giacimento.
15.- Sistema secondo una o pi? delle rivendicazioni da
1 a 14, caratterizzato dal fatto che il circuito ? pressurizzato in partenza da una pressione sempre superiore alle 13 atmosfere.
Sistema secondo una o pi? delle rivendicazioni da 1 a 15 caratterizzato dal fatto che la temperatura di scarico della turbina ? inferiore alla temperatura del refrigerante del condensatore.
17.- Sistema secondo una o pi? delle rivendicazioni da
1 a 16 caratterizzato dal fatto che la miscela di protos sido d?azoto ed anidride carbonica viene riscaldata in uno scambiatore di calore ad una temperatura superiore a quella del refrigerante del condensatore, prima di essere avviato al condensatore stesso.
18.- Sistema secondo una o pi? delle rivendicazioni da
1 a 17 caratterizzato dal fatto che l?impianto ? realizzato "offshore?, su di una struttura fissa o mobile dove il riscaldamento del fluido allo scarico della turbina, ? realizzato con le acque superficiali, e la condensazione del fluido nel condensatore ? ottenuta usando l'acqua di refrigerazione prelevata dal fondo del mare
19 - Sistema secondo le rivendicazioni da 1 a 18 dove il fluido operante ? una miscela azeotropica di protossido d'azoto e di anidride carbonica.
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| IT21928/80A IT1194653B (it) | 1980-05-09 | 1980-05-09 | Sistema a circuito chiuso con caldaia alimentata da fluido geotermico,da combustibili a basso poetere calorifico o dal calore latente del vapore di scarico di una turbina a vapore d'acqua con turbina a vapore di miscela di protossido di azoto (n20) e di anidride carbonica (c02) |
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| BR8101681A BR8101681A (pt) | 1980-03-21 | 1981-03-20 | Sistema para producao de energia geotermica de baixo teor calorifico, com uma turbina a vapor e um circuito fechado |
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