PT1488080E - Central eléctrica para a produção de frio - Google Patents

Description

1

DESCRIÇÃO "CENTRAL ELÉCTRICA PARA A PRODUÇÃO DE FRIO" A presente invenção refere-se a uma central eléctrica, tendo pelo menos uma turbina a vapor e/ou pelo menos uma turbina a gás.

Um dos mais importantes problemas técnicos da actualidade é a relação económica com os veículos de energia disponíveis na produção e no consumo de energia.

Para a produção de energia eléctrica, mas também para o fornecimento de calor à distância, são frequentemente utilizadas grandes instalações de centrais eléctricas, no que se refere à sua potência instalada, as quais asseguram um fornecimento central de energia eléctrica e de calor à distância a muitos consumidores e a grandes regiões.

Um fornecimento central deste tipo, com energia eléctrica e térmica, em comparação com um fornecimento descentralizado com muitas centrais pequenas dispersas, apresenta custos mais favoráveis e é operada de forma particularmente económica.

Esta associação conhecida, denominada de força-calor, é praticamente independente do tipo de central eléctrica utilizada, do tamanho da central eléctrica e do combustível utilizado. É unicamente decisivo, nestas circunstâncias, que se disponha de uma fonte de calor com uma temperatura do lado primário apropriada para o aquecimento de um meio de aquecimento. Hoje em dia é utilizada como meio de aquecimento, quase exclusivamente, a água quente.

Para a realização da associação força-calor conhecida, na maior parte das vezes é aproveitado o calor do processo de conversão eléctrica, o qual, em caso contrário, teria 2 que ser libertado para o ambiente como calor residual e desperdiçado na totalidade, ou pelo menos na sua maior parte.

Como fontes de calor para uma associação força-calor desta natureza pode ser utilizado, por exemplo, o vapor de uma turbina a vapor, o qual é retirado, por exemplo, de uma parte de baixa pressão da turbina a vapor. 0 meio de aquecimento pode ser então aquecido pelo vapor retirado, libertando deste o calor de condensação nele contido, por meio de permutadores de calor, para o meio de aquecimento.

Um fornecimento de calor desta natureza, por meio da associação força-calor descrita, é particularmente económico, visto que o calor do processo, que no caso contrário seria desperdiçado, é tornado útil, por exemplo, para o aquecimento de edifícios.

Ao contrário do referido fornecimento central de energia eléctrica e térmica, é conhecido actualmente, para a produção de frio, produzir-se este quase exclusivamente de forma descentralizada, na maior parte dos casos em centrais eléctricas de blocos térmicos, ou directamente no local, na maioria dos casos na própria manutenção doméstica.

Uma produção de frio descentralizada desta natureza tem elevados custos energéticos, visto que ou têm que ser construídas centrais eléctricas de blocos térmicos próprias para o fornecimento dos consumidores com grandes necessidades de frio, ou tem que ser empregue uma grande quantidade de energia eléctrica no caso do fornecimento directo de frio para a manutenção doméstica, para se produzir a quantidade de frio pretendida. A invenção resulta, por conseguinte, do problema de se conseguir uma produção económica de frio. 3

Para a solução deste problema prevê-se uma central eléctrica, a qual, além de uma necessidade de energia mecânica (em geral eléctrica), também pode cobrir economicamente uma grande necessidade de frio, e neste caso é utilizável com flexibilidade e ultrapassa especialmente os inconvenientes referidos das instalações conhecidas para a produção de frio. 0 problema é solucionado de acordo com a invenção através de uma central eléctrica tendo pelo menos uma turbina a vapor, estando ligada à turbina a vapor pelo menos uma máquina frigorífica de absorção, para a produção de frio, sendo a máquina frigorífica de absorção operada por meio de vapor, o qual é retirado da turbina a vapor, de preferência vapor descarregado de uma zona de baixa pressão da turbina a vapor.

Nestas condições, a invenção parte da hipótese de que as centrais eléctricas, que compreendem um ciclo de Clausius-Rankine, oferecem boas condições para a integração de uma instalação de produção de frio.

As centrais eléctricas deste tipo, com um circuito de água-vapor, compreendem, em função do sistema, uma série de sistemas que podem ser facilmente utilizados para o acoplamento de uma máquina frigorífica de absorção.

Para a produção de frio utiliza-se, na maior parte dos casos, um circuito no qual um meio de refrigeração líquido (por exemplo, amoníaco) pode ser expandido de tal forma que se transforme numa fase vapor e neste caso absorva calor de uma câmara frigorífica, de um circuito de água de refrigeração ou de uma outra zona da instalação. Em seguida 4 o vapor do meio de refrigeração é comprimido e este calor é novamente removido para fora da referida zona da instalação por arrefecimento. Para instalações de climatização é frequentemente utilizada a água como meio de refrigeração, visto que se vaporiza a cerca de 4 °C a uma pressão próxima do vácuo e, por conseguinte, pode ser posta à disposição de um circuito de refrigeração por água uma alimentação de água a cerca de 6 °C.

De acordo com o principio de uma máquina frigorifica de absorção, o vapor do meio de refrigeração é comprimido de tal forma que seja absorvido numa solução (por exemplo, numa solução aquosa de brometo de litio, se for utilizada a água como meio de refrigeração) , em seguida a solução é novamente expulsa por aquecimento e é transformada na fase liquida. Por conseguinte, em vez de um compressor mecânico, que está sujeito a um desgaste e consome energia mecânica ou eléctrica, é utilizado um separador, que é operado predominantemente (ou mesmo exclusivamente) com energia térmica, desempenhando agora um papel decisivo a evacuação do calor absorvido pela vaporização e separação.

Esta evacuação do calor pode ser vantajosamente realizada numa torre de arrefecimento ou num refrigerante celular, que aliás existem em muitas centrais eléctricas, por exemplo, centrais eléctricas de condensação.

Para o funcionamento de uma máquina frigorifica de absorção, tal como para a produção de calor por aquecimento, é necessário, por conseguinte, que se disponha de uma fonte de calor, que possui, de preferência uma temperatura de cerca de 100 °C a 120 °C. No caso da presente invenção, é utilizado como fonte de calor o vapor descarregado da turbina a vapor. 5

No caso da utilização da invenção numa central eléctrica com turbinas a gás ou a gás e a vapor, interessa também como fonte de calor o gás de exaustão guente das turbinas a gás, o qual é retirado, por exemplo, a montante em relação à direcção de escoamento dos gases de exaustão, ou na zona da extremidade de uma caldeira de aquecimento, e é utilizado para a permuta de calor com o meio de aquecimento.

Por conseguinte, a invenção conduz também a uma central eléctrica, a qual compreende pelo menos uma turbina a gás e na qual está ligada à turbina a gás pelo menos uma máquina frigorifica de absorção, para a produção de frio, sendo a máquina frigorifica de absorção operada por meio do calor perdido da turbina a gás.

Numa central eléctrica deste tipo, a máquina frigorifica de absorção também é utilizável vantajosamente, adicionalmente ou em alternativa ao arrefecimento de outros consumidores de frio, para o arrefecimento do ar de aspiração da turbina a gás.

Em muitas centrais eléctricas existentes, que compreendem uma turbina a vapor, é possível retirar facilmente vapor da turbina a vapor e, consequentemente, operar uma máquina frigorífica de absorção; deste modo, é possível, em muitos casos, com baixos custos, estender centrais eléctricas existentes para a função de um fornecimento de frio central.

Além da fonte de calor necessária para a operação da máquina frigorífica de absorção, esta contém também componentes que têm que ser arrefecidos. Trata-se neste caso, por exemplo, de um recipiente que se encontra sob vácuo, o qual contém a solução de brometo de lítio 6 anteriormente citada e que tem que ser arrefecida, ou de um condensador montado antes do vácuo.

Os referidos componentes da máquina frigorifica de absorção, que devem ser arrefecidos, podem ser, por exemplo, alimentados simultaneamente com água fria, em conjunto com um condensador da turbina a vapor, que aliás existe e é alimentado com água fria, encontrando-se esta água fria sob a influência da temperatura do meio ambiente e, por conseguinte, possui uma temperatura que é suficientemente baixa para os referidos fins de arrefecimento. Pode tratar-se, neste caso, por exemplo, de água, que é retirada de um rio ou de uma outra reserva de água que se encontra nas proximidades da central eléctrica. Por conseguinte, o ambiente, em comparação com os componentes necessitados de um arrefecimento, representa uma depressão térmica, de forma que a água fria que é conduzida por esta depressão térmica e é enviada aos componentes a arrefecer, é bastante apropriada para fins de arrefecimento, sem que tenham que ser tomadas outras medidas, por exemplo, para a redução da temperatura da água fria. Aqui reside também uma grande vantagem da invenção, visto que em dispositivos conhecidos para o fornecimento descentralizado de frio surge frequentemente o problema de se dispor de um meio apropriado de arrefecimento, que possa absorver energia suficiente no arrefecimento dos componentes a arrefecer.

Uma outra vantagem da invenção consiste no facto de uma máquina frigorifica de absorção representar uma técnica robusta e não susceptível, na qual podem ser utilizadas, quando muito, bombas de circulação de liquido e na qual não se verifica qualquer compressão de gás, como nas conhecidas máquinas frigorificas de compressão. Por conseguinte, uma 7 máquina frigorífica de absorção praticamente não compreende, nos seus componentes essenciais, quaisquer peças móveis e, por conseguinte, não requer muita assistência.

Além disso, uma máquina frigorífica de absorção possui apenas uma pequena necessidade de energia eléctrica.

Numa forma vantajosa de realização da invenção, pelo menos uma parte do vapor retirado da turbina a vapor pode ser enviado a um permutador de calor, para o aquecimento de um meio de aquecimento, de preferência água quente.

Nesta forma de realização da invenção, a central eléctrica é alargada de forma que, além da produção de frio, também esteja prevista uma produção de calor. Neste caso, além da máquina frigorífica de absorção, é também operado agora, por meio do vapor retirado da turbina a vapor, um permutador de calor, por meio do qual é fornecida energia térmica aos consumidores de calor. Pode tratar-se neste caso, por exemplo, de dispositivos de aquecimento, por exemplo, para edifícios, os quais são operados por meio de uma corrente de água quente. A energia térmica necessária para o aquecimento da corrente de água quente é obtida a partir do vapor retirado da turbina a vapor, por meio de permutadores de calor.

Nesta forma de realização da invenção é nitidamente realizada uma associação força-calor-frio para o fornecimento central de consumidores com energia eléctrica, frio e calor. 0 separador da máquina de absorção pode ser accionado directamente com o vapor retirado, ou também indirectamente 8 por meio de permutadores de calor com um meio de aquecimento do separador, por exemplo, água. 0 vapor retirado também pode ser enviado a uma instalação de climatização, podendo esta possuir uma válvula por meio da qual o vapor retirado pode ser encaminhado, conforme desejado, ou para o separador da máquina frigorifica de absorção (por exemplo, para a produção de frio no Verão, para fins de arrefecimento) ou para o permutador de calor (por exemplo, para a produção de calor no Inverno para fins de aquecimento); neste caso, a máquina frigorifica de absorção e/ou o permutador de calor fazem parte da instalação de climatização.

Numa outra forma vantajosa de realização da invenção, a central eléctrica compreende ainda pelo menos uma turbina a gás, cujo calor perdido é utilizado para a produção de vapor de accionamento para a turbina a vapor, sendo a máquina frigorifica de absorção utilizável, adicionalmente ou em alternativa, para o arrefecimento de outros dispositivos consumidores de frio e também para o arrefecimento do ar de aspiração da turbina a gás.

No caso desta forma de realização da invenção trata-se de uma denominada instalação de gás e vapor (instalação GuD) , a qual compreende a máquina frigorífica de absorção para a produção de frio.

No accionamento da turbina a gás é aspirado ar, o qual vantajosamente é arrefecido, para se conseguir um aumento de potência. No caso da presente forma de realização da invenção, está prevista a produção de frio da máquina frigorífica de absorção, pelo menos parcialmente e/ou predominantemente, para este arrefecimento do ar de aspiração, nomeadamente em especial naqueles casos de accionamento da central eléctrica em que os consumidores a 9 arrefecer, que estão ligados à máquina de absorção, não esgotam todo o potencial de frio da máquina frigorifica de absorção e, por consequência, se encontra à disposição um excesso de oferta de frio, que é agora utilizado para o arrefecimento do ar de aspiração da turbina a gás.

Consegue-se, desta forma, um aumento da potência da turbina a gás. Além disso, são também reduzidas, deste modo, as oscilações na quantidade de perdas de frio, de forma que seja garantido especialmente um accionamento mais uniforme da máquina frigorifica de absorção. A invenção proposta em todas as suas formas de realização presta-se, por exemplo, para a climatização de áreas habitacionais, de grandes blocos residenciais, de edifícios de escritórios, de parques industriais, de hotéis, de hospitais, de instalações públicas, etc. Os locais preferidos de utilização da invenção podem ser, neste caso, em particular as regiões climáticas mais quentes da Terra, nas quais prevalecem temperaturas ambientes de tal forma elevadas que se torna necessária e/ou desejável uma climatização.

Outros locais de utilização possíveis são, por exemplo, centros de férias em regiões tropicais e subtropicais.

Será apresentado a seguir, mais pormenorizadamente, um exemplo de realização da invenção.

As figuras mostram: a fig. 1 uma central eléctrica de acordo com a invenção, que é realizada na forma de uma instalação GuD (gás e vapor), e 10 a fig. 2 uma central eléctrica de acordo com a invenção, com uma turbina a gás. A figura mostra, esquematicamente, uma central eléctrica 1 de acordo com a invenção, a qual é realizada na forma de uma instalação GuD (gás e vapor) e compreende uma turbina a vapor 5, assim como uma turbina a gás 30. O vapor B para accionamento da turbina a vapor 5 é posto à disposição, neste caso, por meio do calor perdido A da turbina a gás 30. A turbina a vapor 5 compreende uma parte de alta pressão 7, assim como uma parte de baixa pressão 9.

Uma máquina frigorifica de absorção 10 é operada por meio de vapor descarregado 12, o qual é utilizado como fonte de calor. Neste caso, este vapor descarregado 12 é enviado a um separador 14 da máquina frigorifica de absorção 10, o qual mantém em funcionamento o processo de absorção da máquina frigorifica de absorção 10. A saida do separador 14 está ligada, através de uma bomba 41, a uma superfície de aquecimento 38, a qual é aquecida pelo calor perdido A da turbina a gás 30, para produzir o vapor de accionamento B, necessário para o accionamento da turbina a vapor 5. O gás de exaustão da turbina a gás 30, depois das trocas de calor com a superfície de aquecimento 38, é enviado a uma torre de arrefecimento 36. A máquina frigorífica de absorção 10 trabalha, neste exemplo, com um circuito para uma solução de brometo de lítio, que é movimentada em circuito fechado e, neste caso, é aquecida no separador 14 pelo vapor descarregado, para a libertação de água líquida, e em seguida é novamente arrefecida num aspirador 16, para a absorção de vapor de 11 água. 0 aspirador de vapor de água 16 é, por conseguinte, um componente que necessita de arrefecimento e é alimentado com água fria K, que é utilizada, por exemplo, em paralelo para o arrefecimento de um condensador 15 da turbina a vapor 5 e é retirada, por exemplo, de uma torre de arrefecimento 25. A parte de alta pressão 7 e a parte de baixa pressão 9 da turbina a vapor 5 estão ligadas entre si, no presente exemplo de realização, através de uma superficie de aquecimento 39, por exemplo, para o sobreaquecimento intermédio do vapor parcialmente expandido.

Para a produção de energia eléctrica está acoplado, em cada caso, um gerador G, tanto à turbina a vapor 5, como também à turbina a gás 30. A produção de frio por meio da máquina frigorifica de absorção 10 processa-se por meio de um vaporizador 13, o qual se encontra a uma pressão muito baixa, especialmente próxima do vácuo. Isto tem como consequência que a água, que tem que ser vaporizada por meio do vaporizador 13, se vaporiza já a uma temperatura muito baixa, por exemplo, 4 °C. O vapor formado nestas condições é aspirado do vaporizador 13 por meio do aspirador de vapor de água 16. Isto tem como consequência que a água, que é enviada através do vaporizador 13, em consequência da temperatura reduzida, praticamente constante, reinante no vaporizador, é arrefecida até um valor próximo desta baixa temperatura, de forma que é produzida uma corrente de água fria de alimentação 45 para o arrefecimento dos consumidores de frio, com uma temperatura baixa constante. A máquina frigorifica de absorção 10, na presente forma de realização da invenção, é ainda utilizada para operar também uma superfície de arrefecimento 34, por meio 12 da corrente de água fria de alimentação, de forma que o ar aspirado L para a turbina a gás 30 seja arrefecido. Consegue-se deste modo um aumento de potência da turbina a gás. Além disso, através da combinação de ambas as medidas, nomeadamente a alimentação dos consumidores de frio 32, assim como o arrefecimento do ar aspirado L, pode conseguir-se uma quantidade retirada de frio constante do frio de absorção da máquina frigorifica de absorção 10. O vapor descarregado 12 da parte de baixa pressão 9 da turbina a vapor 5 é ainda utilizado para aquecer um meio de aquecimento 28 por meio de um permutador de calor 20, de forma que possam ser alimentados com energia térmica os consumidores de calor 27, por intermédio do meio de aquecimento 28.

Através da forma de realização da invenção representada na figura 1 é realizada, por conseguinte, uma associação força-frio-calor, que se presta especialmente para o fornecimento central de um grande número de consumidores com os referidos tipos de energia.

Analogamente à conhecida rede de calor à distância de associações força-calor conhecidas, é ainda possível, através da invenção, realizar-se uma rede de frio à distância para o fornecimento central de frio e realizar-se com a mesma, por exemplo, a climatização de grandes complexos de edifícios com grandes necessidades de frio.

Isto é interessante, especialmente nas regiões climáticas mais quentes da Terra, nas quais existem grandes necessidades de frio e de climatização. Através da utilização da invenção pode ser garantido o fornecimento de energia eléctrica, de calor e de frio. 13 A figura 2 mostra uma central eléctrica 50 de acordo com a invenção, com uma turbina a gás 52, cujo calor perdido AH é enviado a uma caldeira de calor perdido AHK; o calor perdido AH' que abandona a caldeira de calor perdido AHK é aqui utilizado para o accionamento de uma máquina frigorifica de absorção 100. Não são aqui apresentados mais pormenorizadamente pormenores sobre a forma de realização e as restantes ligações da caldeira de calor perdido, assim como outros pormenores da central eléctrica 50.

Lisboa, 11 de Dezembro de 2006

Claims (5)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Central eléctrica (1), caracterizada por a central eléctrica (1) compreender pelo menos uma turbina a vapor (5) e, para a produção de frio, pelo menos uma máquina frigorifica de absorção (10) ligada à turbina a vapor (5), sendo a máquina frigorifica de absorção (10) operada por meio de vapor (12), que é retirado da turbina a vapor (5), de preferência vapor descarregado (12) proveniente de uma parte de baixa pressão (9) da turbina a vapor (5).

2. Central eléctrica (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por pelo menos uma parte do vapor (1) retirado da turbina a vapor (5) poder ser enviado a um permutador de calor (2) para o aquecimento de um meio de aquecimento (28), de preferência água quente.

3. Central eléctrica (1) de acordo com uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizada por a central eléctrica (1) compreender adicionalmente pelo menos uma turbina a gás (30), cujo calor perdido é utilizado para a produção de vapor de accionamento (B) para a turbina a vapor (5), sendo a máquina frigorifica de absorção (10) utilizável, adicionalmente ou em alternativa, para o arrefecimento de outros consumidores de frio (32) e também para o arrefecimento do ar de aspiração (L) da turbina a gás (30).

4. Central eléctrica (50), caracterizada por a central eléctrica (50) compreender pelo menos uma turbina a gás (52) e, para a produção de frio, pelo menos uma máquina frigorifica de absorção (100) ligada à turbina a gás (52), sendo a máquina frigorifica de absorção (100) operada por meio do calor perdido (AH, AH') da turbina a gás (52). 2

5. Central eléctrica (50) de acordo com a reivindicação 4, sendo a máquina frigorífica de absorção (100) utilizável, adicionalmente ou em alternativa, para o arrefecimento de outros consumidores de frio (32) e também para o arrefecimento do ar de aspiração (L) da turbina a gás (30). Lisboa, 11 de Dezembro de 2006