Procedimento ed impianto per lo sfruttamento di sorgenti di calore a temperatura variabile (IT)
Titolo
Tipologia
Fascicolo
Descrizione
Corrispondenza tra Ansaldo (rag. Merciari, ing. Santangelo, ing. Cavanna, ing. Donzelli, ing. Avanzini, ing. Palma, avv. Salvadè, avv. Moretto) e Ufficio Professionale Proprietà Intellettuale Vettor Galletti.
Specifiche del brevetto
Titolare: Ansaldo Spa
Inventori: Alfonso Cavanna, Luciano Donzelli
Riassunto: L’invenzione ha per oggetto un procedimento ed un impianto per lo sfruttamento di sorgenti di calore a temperatura variabile.
La sorgente da calore a temperatura variabile preferita è costituita dai gas di scarico di una turbina a gas, che sono utilizzati per surriscaldare il vapore prodotto in una caldaia ausiliaria convenzionale, nella quale, come gas comburente, è utilizzata una frazione dei gas di scarico della turbina a gas.
Definizione del campo della tecnica in cui si colloca l’invenzione e problema da risolvere: L’invenzione è applicabile agli impianti a vapore per la produzione di energia elettrica e meccanica.
Sviluppi e applicazioni del procedimento secondo l’invenzione sono possibili in tutti i casi in cui sia disponibile una sorgente di calore a temperatura variabile, avente la temperatura massima sufficientemente elevata.
Tecnica nota e limiti della tecnica nota: Secondo la tecnica nota, il fluido di lavoro utilizzato negli impianti di potenza a vapore, cioè l’acqua, così come ogni altro fluido monocomponente, non permette, neppure idealmente, di avvicinarsi al ciclo di Lorentz, costituito da una fase di introduzione del calore a temperatura variabile (lineare), da un’espansione isoentropica e da una fase di sottrazione del calore a temperatura costante; in particolare, una parte notevole della fase di introduzione del calore (la fase di ebollizione) avviene a temperatura costante; come conseguenza, un normale ciclo di Rankine, utilizzato per sfruttare una sorgente variabile, presenta rendimenti piuttosto modesti.
Al fine di aumentare il rendimento termodinamico, sono stati proposti metodi che avvicinano la fase di introduzione del calore a quella tipica di un ciclo di Lorentz; tali metodi sono sostanzialmente quelli indicati nel seguito.
• Uso di caldaie multi-pressione che, tuttavia, comporta notevoli appesantimenti impiantistici ed economici.
• Uso di un ciclo supercritico ad acqua che, tuttavia, presenta gravi problemi termomeccanici ed impiantistici unitamente a risultati concreti non adeguati.
• Utilizzazione di fluidi diversi dall’acqua (miscele bicomponenti quali acqua e ammoniaca) a tecnologia non consolidata.
Definizione del problema tecnico risolto dall’invenzione: La soluzione secondo l’invenzione permette, attraverso l’uso delle tecnologie più consolidate, di ottenere rendimenti simili o superiori a quelli ottenibili con i metodi evidenziati ai punti 1 ÷ 3, evidenziati nel paragrafo precedente, senza tentare di adeguare il fluido evolvente i caldaia alle caratteristiche della sorgente di calore.
Esposizione dell’idea inventiva: Forma oggetto della presente invenzione un procedimento per lo sfruttamento di sorgenti di calore a temperatura variabile, in particolare mediante l’impiego di un ciclo nel quale l’evaporazione dell’acqua è realizzata mediante una caldaia ausiliaria a combustione diretta e la sorgente di calore a temperatura variabile, per la quale sono utilizzati i gas di scarico di una turbina a gas, è utilizzata per le seguenti finalità:
• preriscaldamento dell’acqua proveniente dal condensatore;
• preriscaldamento dell’acqua proveniente dal degasatore e funzionamento del degasatore stesso;
• surriscaldamento e risurriscaldamento del vapore prodotto nella caldaia ausiliaria anche a temperature superiori a quelle ottenibili tramite il solo uso della sorgente a temperatura variabile.
Forma ulteriore oggetto della presente invenzione un dispositivo per la realizzazione del procedimento sopraccitato. Detto dispositivo è impiegato come caldaia di un impianto a vapore per la produzione di energia.
La sorgente di calore utilizzata dal dispositivo è costituita dai gas di scarico di turbine a gas.
Il dispositivo prevede una camera di scambio termico, nella quale fluiscono detti gas di scarico, comprendente quanto segue:
• un circuito di by-pass per parzializzare una frazione dei gas di scarico, che sono utilizzati come gas comburenti in una caldaia ausiliaria di evaporazione e che, successivamente, sono ricondotti nella camera di scambio termico;
• gli scambiatori da calore di surriscaldamento del vapore prodotto nella caldaia ausiliaria, di risurriscaldamento del vapore proveniente dalla turbina di alta pressione, di preriscaldamento dell’acqua proveniente dal condensatore e di produzione del vapore necessario al degasatore.
Descrizione di almeno un esempio di realizzazione: L’impianto secondo l’invenzione è in grado di svolgere la funzione di caldaia per un impianto a vapore che comprende una turbina di alta pressione, almeno una turbina di media-bassa pressione, un condensatore e un degasatore.
L’impianto sopraccitato comprende una camera di scambio termico tra i gas di scarico di una turbina a gas; nella parte iniziale di detta camera di scambio termico è previsto un camino dotato di una serranda, che è normalmente in posizione chiusa quando l’impianto è in funzione.
A valle della serranda è previsto un condotto di derivazione per i fumi provenienti dalla turbina a gas; detto condotto preleva una frazione di fumi, ad esempio il 10% e la convoglia, come gas comburente, a una caldaia ausiliaria, nella quale giunge, attraverso un bruciatore, un combustibile opportuno.
Il calore prodotto serve ad evaporare l’acqua proveniente dal condensatore attraverso la pompa di estrazione, l’economizzatore di bassa pressione, il degasatore, la pompa alimento e l’economizzatore ad alta pressione. L’acqua è evaporata in un fascio tubiero opportuno.
L’economizzatore ad alta pressione e l’economizzatore a bassa pressione sono disposti, in serie, nella parte terminale della camera di scambio termico, immediatamente prima del camino, anch’esso dotato di una serranda di intercettazione.
I fumi uscenti dalla caldaia ausiliaria sono convogliati, attraverso un condotto, nella camera di scambio nella sezione immediatamente a monte dell’economizzatore ad alta pressione.
Tra il condotto di derivazione e il condotto suddetto sono inseriti il surriscaldatore e il risurriscaldatore.
Il surriscaldatore è alimentato dal vapore evaporato nella caldaia ausiliaria ed è quindi avviato alla turbina ad alta pressione.
Il risurriscaldatore è alimentato dallo scarico della turbina di alta pressione e alimenta, a sua volta, la turbina di media pressione e la turbina di bassa pressione; da quest’ultima passa al condensatore.
L’impianto è completato da un degasatore dotato di uno scambiatore di calore, che assorbe il calore necessario dai fumi di scarico della turbina a gas.
Il funzionamento dell’impianto è indicato nel seguito.
In ingresso caldaia i fumi sono separati in due correnti come segue:
• la corrente principale (ordine di grandezza circa il 90%) è inviata agli scambiatori surriscaldatori e risurriscaldatori, che alimentano rispettivamente una turbina di alta e di media pressione;
• la corrente minore (ordine di grandezza 10%) è utilizzata come comburente in una caldaia a combustione diretta in cui avviene il passaggio di stato acqua satura-vapore saturo.
Le due correnti, uscenti alla stessa temperatura dalla zona surriscaldante e da quella evaporante, sono riunite e inviate agli scambiatori economizzatori, dove l’acqua è riscaldata dalla temperatura di condensazione a quella di evaporazione.
Vantaggi:
1) Non vi sono appesantimenti impiantistici e, quindi, la soluzione secondo l’invenzione è più economica.
2) Non vi sono problemi termomeccanici e impiantistici.
3) Non è necessario utilizzare fluidi diversi dall’acqua, quali miscele bicomponenti (ad esempio acqua-ammoniaca) a tecnologia non consolidata.
4) È possibile ottenere buoni rendimenti senza tentare di adeguare il fluido evolvente in caldaia alle caratteristiche della sorgente di calore.
Specifiche del brevetto
Titolare: Ansaldo Spa
Inventori: Alfonso Cavanna, Luciano Donzelli
Riassunto: L’invenzione ha per oggetto un procedimento ed un impianto per lo sfruttamento di sorgenti di calore a temperatura variabile.
La sorgente da calore a temperatura variabile preferita è costituita dai gas di scarico di una turbina a gas, che sono utilizzati per surriscaldare il vapore prodotto in una caldaia ausiliaria convenzionale, nella quale, come gas comburente, è utilizzata una frazione dei gas di scarico della turbina a gas.
Definizione del campo della tecnica in cui si colloca l’invenzione e problema da risolvere: L’invenzione è applicabile agli impianti a vapore per la produzione di energia elettrica e meccanica.
Sviluppi e applicazioni del procedimento secondo l’invenzione sono possibili in tutti i casi in cui sia disponibile una sorgente di calore a temperatura variabile, avente la temperatura massima sufficientemente elevata.
Tecnica nota e limiti della tecnica nota: Secondo la tecnica nota, il fluido di lavoro utilizzato negli impianti di potenza a vapore, cioè l’acqua, così come ogni altro fluido monocomponente, non permette, neppure idealmente, di avvicinarsi al ciclo di Lorentz, costituito da una fase di introduzione del calore a temperatura variabile (lineare), da un’espansione isoentropica e da una fase di sottrazione del calore a temperatura costante; in particolare, una parte notevole della fase di introduzione del calore (la fase di ebollizione) avviene a temperatura costante; come conseguenza, un normale ciclo di Rankine, utilizzato per sfruttare una sorgente variabile, presenta rendimenti piuttosto modesti.
Al fine di aumentare il rendimento termodinamico, sono stati proposti metodi che avvicinano la fase di introduzione del calore a quella tipica di un ciclo di Lorentz; tali metodi sono sostanzialmente quelli indicati nel seguito.
• Uso di caldaie multi-pressione che, tuttavia, comporta notevoli appesantimenti impiantistici ed economici.
• Uso di un ciclo supercritico ad acqua che, tuttavia, presenta gravi problemi termomeccanici ed impiantistici unitamente a risultati concreti non adeguati.
• Utilizzazione di fluidi diversi dall’acqua (miscele bicomponenti quali acqua e ammoniaca) a tecnologia non consolidata.
Definizione del problema tecnico risolto dall’invenzione: La soluzione secondo l’invenzione permette, attraverso l’uso delle tecnologie più consolidate, di ottenere rendimenti simili o superiori a quelli ottenibili con i metodi evidenziati ai punti 1 ÷ 3, evidenziati nel paragrafo precedente, senza tentare di adeguare il fluido evolvente i caldaia alle caratteristiche della sorgente di calore.
Esposizione dell’idea inventiva: Forma oggetto della presente invenzione un procedimento per lo sfruttamento di sorgenti di calore a temperatura variabile, in particolare mediante l’impiego di un ciclo nel quale l’evaporazione dell’acqua è realizzata mediante una caldaia ausiliaria a combustione diretta e la sorgente di calore a temperatura variabile, per la quale sono utilizzati i gas di scarico di una turbina a gas, è utilizzata per le seguenti finalità:
• preriscaldamento dell’acqua proveniente dal condensatore;
• preriscaldamento dell’acqua proveniente dal degasatore e funzionamento del degasatore stesso;
• surriscaldamento e risurriscaldamento del vapore prodotto nella caldaia ausiliaria anche a temperature superiori a quelle ottenibili tramite il solo uso della sorgente a temperatura variabile.
Forma ulteriore oggetto della presente invenzione un dispositivo per la realizzazione del procedimento sopraccitato. Detto dispositivo è impiegato come caldaia di un impianto a vapore per la produzione di energia.
La sorgente di calore utilizzata dal dispositivo è costituita dai gas di scarico di turbine a gas.
Il dispositivo prevede una camera di scambio termico, nella quale fluiscono detti gas di scarico, comprendente quanto segue:
• un circuito di by-pass per parzializzare una frazione dei gas di scarico, che sono utilizzati come gas comburenti in una caldaia ausiliaria di evaporazione e che, successivamente, sono ricondotti nella camera di scambio termico;
• gli scambiatori da calore di surriscaldamento del vapore prodotto nella caldaia ausiliaria, di risurriscaldamento del vapore proveniente dalla turbina di alta pressione, di preriscaldamento dell’acqua proveniente dal condensatore e di produzione del vapore necessario al degasatore.
Descrizione di almeno un esempio di realizzazione: L’impianto secondo l’invenzione è in grado di svolgere la funzione di caldaia per un impianto a vapore che comprende una turbina di alta pressione, almeno una turbina di media-bassa pressione, un condensatore e un degasatore.
L’impianto sopraccitato comprende una camera di scambio termico tra i gas di scarico di una turbina a gas; nella parte iniziale di detta camera di scambio termico è previsto un camino dotato di una serranda, che è normalmente in posizione chiusa quando l’impianto è in funzione.
A valle della serranda è previsto un condotto di derivazione per i fumi provenienti dalla turbina a gas; detto condotto preleva una frazione di fumi, ad esempio il 10% e la convoglia, come gas comburente, a una caldaia ausiliaria, nella quale giunge, attraverso un bruciatore, un combustibile opportuno.
Il calore prodotto serve ad evaporare l’acqua proveniente dal condensatore attraverso la pompa di estrazione, l’economizzatore di bassa pressione, il degasatore, la pompa alimento e l’economizzatore ad alta pressione. L’acqua è evaporata in un fascio tubiero opportuno.
L’economizzatore ad alta pressione e l’economizzatore a bassa pressione sono disposti, in serie, nella parte terminale della camera di scambio termico, immediatamente prima del camino, anch’esso dotato di una serranda di intercettazione.
I fumi uscenti dalla caldaia ausiliaria sono convogliati, attraverso un condotto, nella camera di scambio nella sezione immediatamente a monte dell’economizzatore ad alta pressione.
Tra il condotto di derivazione e il condotto suddetto sono inseriti il surriscaldatore e il risurriscaldatore.
Il surriscaldatore è alimentato dal vapore evaporato nella caldaia ausiliaria ed è quindi avviato alla turbina ad alta pressione.
Il risurriscaldatore è alimentato dallo scarico della turbina di alta pressione e alimenta, a sua volta, la turbina di media pressione e la turbina di bassa pressione; da quest’ultima passa al condensatore.
L’impianto è completato da un degasatore dotato di uno scambiatore di calore, che assorbe il calore necessario dai fumi di scarico della turbina a gas.
Il funzionamento dell’impianto è indicato nel seguito.
In ingresso caldaia i fumi sono separati in due correnti come segue:
• la corrente principale (ordine di grandezza circa il 90%) è inviata agli scambiatori surriscaldatori e risurriscaldatori, che alimentano rispettivamente una turbina di alta e di media pressione;
• la corrente minore (ordine di grandezza 10%) è utilizzata come comburente in una caldaia a combustione diretta in cui avviene il passaggio di stato acqua satura-vapore saturo.
Le due correnti, uscenti alla stessa temperatura dalla zona surriscaldante e da quella evaporante, sono riunite e inviate agli scambiatori economizzatori, dove l’acqua è riscaldata dalla temperatura di condensazione a quella di evaporazione.
Vantaggi:
1) Non vi sono appesantimenti impiantistici e, quindi, la soluzione secondo l’invenzione è più economica.
2) Non vi sono problemi termomeccanici e impiantistici.
3) Non è necessario utilizzare fluidi diversi dall’acqua, quali miscele bicomponenti (ad esempio acqua-ammoniaca) a tecnologia non consolidata.
4) È possibile ottenere buoni rendimenti senza tentare di adeguare il fluido evolvente in caldaia alle caratteristiche della sorgente di calore.
Data testuale
1986 ottobre 14 - 1992 gennaio 9
Estremi cronologici
October 14, 1986 – January 9, 1992
Consistenza
cc. 108
Stato di conservazione
Ottimo
Soggetto produttore
Identificativo
BRA.000018
Collocazione
Deposito 419
Note
Questa domanda di brevetto era stata depositata solo in Italia in quanto non erano state effettuate estensioni estere.
il brevetto italiano era stato rilasciato.
il brevetto italiano era stato rilasciato.
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