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WO2018035585A1 - Motor térmico de ciclo diferencial composto por quatro processos isobáricos, quatro processos adiabáticos e processo de controle para o cliclo termodinâmico do motor térmico - Google Patents

Motor térmico de ciclo diferencial composto por quatro processos isobáricos, quatro processos adiabáticos e processo de controle para o cliclo termodinâmico do motor térmico Download PDF

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WO2018035585A1
WO2018035585A1 PCT/BR2017/000091 BR2017000091W WO2018035585A1 WO 2018035585 A1 WO2018035585 A1 WO 2018035585A1 BR 2017000091 W BR2017000091 W BR 2017000091W WO 2018035585 A1 WO2018035585 A1 WO 2018035585A1
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WO
WIPO (PCT)
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cycle
thermodynamic
processes
adiabatic
subsystem
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/BR2017/000091
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marno Iockheck
LUIS Mauro MOURA
Saulo Finco
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ASSOCIACAO PARANAENSE DE CULTURA - APC
Original Assignee
ASSOCIACAO PARANAENSE DE CULTURA - APC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Publication of WO2018035585A1 publication Critical patent/WO2018035585A1/pt
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Ceased legal-status Critical Current

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    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F02G1/047—Controlling by varying the heating or cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/053—Component parts or details
    • F02G1/055—Heaters or coolers

Definitions

  • the present invention relates to a thermal motor and its eight-process thermodynamic cycle, more specifically a thermal machine characterized by two interconnected thermodynamic subsystems, each operating a four-process but interdependent thermodynamic cycle. If, forming a complex cycle of eight processes, operates with gas, the circuit of this binary system is closed in differential configuration, based on the concept of hybrid thermodynamic system or can also be called binary thermodynamic system, this system performs a thermodynamic cycle composed of eight processes so that it executes at any moment of the cycle, two simultaneous and interdependent complementary processes, four of which are "isobaric" and four "adiabatic" processes with variable mass transfer, which may be null or partial.
  • thermodynamics defines three concepts of thermodynamic systems, the open thermodynamic system, the closed thermodynamic system and the isolated thermodynamic system. These three concepts of thermodynamic systems were conceptualized in the nineteenth century in the early days of the creation of the laws of thermodynamics and underlie all known motor cycles to date.
  • thermodynamic system is defined as a system in which neither matter nor energy passes through it. Therefore, this concept of thermodynamic system does not offer properties that allow the development of motors.
  • the open thermodynamic system is defined as a system where energy and matter can enter and leave this system.
  • Examples of an open thermodynamic system are the Atkinson cycle Otto-cycle internal combustion engines, Sabieshe-cycle Maski-cycle Otto-cycle internal combustion engine, Rankine-cycle exhausted Brayton-cycle internal combustion engines from steam to the environment.
  • the matter that enters these systems are fuels and oxygen or working fluid or working gas.
  • the energy that enters these systems is heat.
  • the matter that comes out of these systems is the combustion or working fluid exhaust, gases, waste, the energy that comes out of these systems is the mechanical working energy and part of the heat dissipated.
  • the closed thermodynamic system is defined as a thermodynamic system in which only energy can enter and leave this system.
  • Examples of closed thermodynamic systems are external combustion engines such as the Stiring cycle, Ericsson cycle, Rankine cycle with closed circuit working fluid, Brayton heat cycle or external combustion, Carnot cycle.
  • the energy that enters this system is heat.
  • the energy that comes out of this system is the mechanical working energy and part of the heat dissipated, but no matter comes out of these systems, as they occur in the open system.
  • thermodynamic cycles composed of a series of sequential and independent processes, and a single process occurs at a time until the cycle is completed, as can be seen from the pressure / volume graph in figure 2. So are the Otto, Aikinson, Diesel, Sabaihe, Brayton, Rankine, Stiriing, Ericsson cycle engines and Carnot's ideal theoretical cycle.
  • Equation (a) (U) represents the internal energy in “Joule”, (r?) Represents the number of mol, (R) represents the universal constant of perfect gases, (7) represents the gas temperature. in “Kelvin” and (y) represents the adiabatic coefficient of expansion,
  • the current state of the art comprises a series of motors of Internal combustion and external combustion, most of these engines require a second auxiliary engine to take them from, to operation.
  • Internal combustion engines require compression, mixing fuel with oxygen and a spark or pressure combustion, so a normally electric auxiliary starter motor is used.
  • External combustion engines such as the Stirling or Ericsson cycle in turn also require high power auxiliary engines, as they must overcome the resting state under pressure to start operating.
  • One exception is the Rankine cycle engine, which can start via the camshaft to provide the steam pressure to the motive power elements.
  • the current state of the art comprises a number of engines, most of them dependent on very specific and special conditions to operate, for example internal combustion engines, each requiring its own specific fuel, fine fuel control, oxygen and combustion time and in some cases require specific conditions including pressure, fuel flexibility is quite limited.
  • internal combustion engines each requiring its own specific fuel, fine fuel control, oxygen and combustion time and in some cases require specific conditions including pressure, fuel flexibility is quite limited.
  • the most flexible engine is the Rankine, external combustion engine, the Stirling or Ericsson, also external combustion, these are more flexible in their source.
  • the current state of the art comprises a series of engine cycles, most of which require combustion, that is, the burning of some type of fuel, and therefore the need for oxygen.
  • the current state of the art comprises a series of cycle engines, most of which require high operating temperatures, especially internal combustion engines, usually operating with working gas at temperatures above 1500 ° C.
  • External combustion engines or engines operating from external heat sources such as Rankine and Stirling cycle, are typically designed to operate at working gas temperatures between 400 ° C and 800 ° C.
  • Rankine and Stirling cycle are typically designed to operate at working gas temperatures between 400 ° C and 800 ° C.
  • motors based on open and closed systems they often require high temperatures to operate, all of them have their efficiencies limited to Carnot's theorem, that is, their maximum efficiencies depend exclusively on temperatures as defined by equation (b),
  • the current state of the art based on open and closed systems, comprises basically six motor cycles and some versions thereof: Atkinson cycle Eight cycle, Sabathe cycle Otto cycle Diesel cycle similar Brayton cycle, Rankine cycle, Stiding cycle, Ericsson cycle and Carnot cycle diesel, ideal theoretical reference for open and closed engine based engines.
  • Atkinson cycle Eight cycle Sabathe cycle Otto cycle Diesel cycle similar Brayton cycle
  • Rankine cycle Stiding cycle
  • Ericsson cycle Ericsson cycle
  • Carnot cycle diesel ideal theoretical reference for open and closed engine based engines.
  • the latest developments in the current state of the art have been presented through innovations by joining more than one old cycle into combined cycles, ie: new engine systems composed of a Brayton cycle machine operating on fossil fuels, gas or oil. and a heat-dependent Rankine cycle machine rejected by the Brayton cycle machine.
  • combining a diesel engine with a Rankine cycle engine or an Otto cycle engine also joining it with a Rankine cycle engine.
  • Carnot's ideal motor figure 3, while considered the ideal motor, most perfect to date, it is in theory and within open and closed system concepts considering all ideal parameters, for example. This is the reference to date for all existing engine concepts.
  • the Carnot Engine is not found in practical use because the actual materials do not possess the properties required to make the Carnot Engine a reality, the physical dimensions for the Carnot Cycle. If it were to be performed as in theory, it would be unfeasible in a practical case, so it is an ideal Engine in open and closed system concepts, but in the theoretical concept.
  • thermodynamic cycle formed by two isothermal processes of two adiabatic processes
  • the concept of hybrid or binary thermodynamic system provides the basis for the development of a new motor family In each case, each engine will have its own characteristics according to the processes and phases that make up their respective thermodynamic cycles, such as the Otto engine and the diesel engine, both internal combustion engines, are engines based on the open thermodynamic system, but are distinct engines.
  • the Otto engine cycle consists basically of an adiabatic compression process, an isocoric combustion process, an adiabatic expansion process and an isocoric exhaust process and the diesel engine cycle. It consists of an adiabatic compression process, an isobaric combustion process, an adiabatic expansion process and an Isocoric exhaustion process, so they differ in only one of the processes that form their cycles, sufficient to give each one properties and specific and different uses.
  • the aim of the invention is to eliminate some of the existing problems and minimize other problems, but the major objective was to develop new motor cycles based on a new thermodynamic system concept so that the efficiency of the motors would not be more dependent. temperatures only and whose energy sources could be diversified and which would allow the design of engines for environments even without air (oxygen).
  • the characteristic hybrid or binary system concept that underlies this invention eliminates the dependence of efficiency exclusively on temperature, the efficiency of any thermal machine depends on its potentials and their potential differentials, while open and closed systems generate potentials where the mass of the gas is constant and for this reason they cancel out in the equations, hybrid or binary systems the mass is not necessarily constant, so no they cancel out and their efficiencies depend on the potentials from which the driving force originates, that is, the pressures.
  • the hybrid system concept provides dependent potentials proportional to the product of the working gas mass by temperature.
  • the mass is variable, its efficiency becomes a non-temperature-dependent but mass-dependent function and for a differential cycle motor composed of four isobaric processes, four adiabatic processes. , with mass transfer between its subsystems during adiabatic processes, the efficiency is demonstrated as presented in equation (c) and figure 4.
  • ( ⁇ ) is the yield
  • (T1) is the initial temperature of the high temperature isobaric process
  • (72) is the final temperature of the isobaric process of alia temperature, this temperature tends to equalize with the hot source temperature (Tq)
  • (73) is the starting temperature of the low temperature isobaric process
  • (74) is the final temperature of the low temperature isobaric process, this temperature tends to equalize with the cold source temperature (77)
  • all temperatures in "Kelvin” (n1) is the number of moles of subsystem 1, indicated by region 21 of Figure 4
  • (n2) is the number of moles of subsystem 2, indicated by region 23 of Figure 4. 4
  • thermodynamic cycles Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe. Brayton, Stirling, Ericsson, Rankine, and the Carnot cycle perform a single process at a time sequentially, as shown in Figure 2, referenced to the mechanical cycle of the driving force elements, their control being a direct function of the power supply's power.
  • the hybrid or binary differential cycles perform two processes at a time, Figure 5, enabling the control of the thermodynamic cycle separate from the mechanical cycle, the cycle can be modulated and thus the mechanical cycle becomes a consequence of the thermodynamic cycle. and not the other way around.
  • Differential cycle motors are characterized by having two subsystems forming a hybrid or binary system, represented by (21 and 23) of Figure 4, each subsystem executes a cycle referenced to the other subsystem in order to always execute two simultaneous processes. and interdependent. Otherwise, considering a hybrid or binary system with properties of both open and closed systems simultaneously, it is said that the system performs a compound thermodynamic cycle, Figure 5, that is, always executes two simultaneous processes (26 and 27). Figure 5, interdependent, including mass transfer. Therefore they are completely different motors and cycles from motors and cycles based on open or closed systems. Figure 6 shows the relationship between the hybrid or binary system and the differential thermodynamic cycle.
  • thermodynamic system The concept of hybrid thermodynamic system is new. It is characterized by a binary system, formed by two interdependent subsystems and between them there is exchange of matter and energy and both supply out of their limits, energy in the form of work and part of the energy in the form of heat dissipated. This thermodynamic system was created in the 21st century and offers new possibilities for the development of thermal motors.
  • the present invention brings important developments for the conversion of thermal energy to mechanical either for use in power generation or other use as mechanical force for movement and traction.
  • Some of the main advantages that can be seen are: the total flexibility as to the energy source (heat), the independence of the atmosphere, does not need atmosphere for a differential cycle motor to operate, the flexibility regarding the temperatures, the motor of Differential cycle can be designed to operate over a very wide temperature range, well above most motors based on open and closed systems, including a differential cycle motor can be designed to operate at both temperatures below zero degrees Celsius, It is sufficient that the design conditions promote the expansion and contraction of the working gas and it is sufficient that the materials chosen for its construction have the properties to perform their operational functions at design temperatures.
  • the differential-cycle engine based on the hybrid or binary system concept may be constructed from materials and techniques similar to conventional and Stirling-cycle engines, as it is a closed-loop gas engine considering the system. complete, this is.
  • the complete system is formed by two integrated thermodynamic subsystems, 31 and 37, forming a binary or hybrid thermodynamic system, each subsystem formed by a chamber 33 and 35 containing working gas and each of these are formed by three sub-chambers.
  • Suitable materials for this technology should be noted, which are similar in this respect to Stirling cycle engine design technologies.
  • the working gas depends on the project, its application and the parameters used, the gas may be various, each will provide specific characteristics, as the gases may be suggested: helium, hydrogen, nitrogen, dry air, neon, among others.
  • Conversion chambers items that characterize the hybrid or binary system, may be constructed of various materials, depending on design temperatures, working gas used, pressures involved, environment and operating conditions. These cameras each have. Three sub-chambers and these should be designed keeping in mind the requirement of thermal insulation between themselves to minimize the direct flow of energy from hot to cold areas, this condition is important for overall system efficiency.
  • These chambers have internal elements that move working gas between hot, cold and insulated sub-chambers, these elements can be of various geometric shapes, depending on the requirement and design parameters, could for example be disc-shaped, cylindrical or otherwise working gas movement in a controlled manner between the sub chambers.
  • the mass transfer element 34 interconnects the two chambers 33 and 35, this element is responsible for the transfer of part of the working gas mass between the chambers that occurs at a specific time during the acliabatic processes.
  • This element may be designed in various ways depending on the requirements of the project, may operate by simple pressure difference, ie valve-shaped, or may operate in a forced manner, for example turbine, piston-shaped or in another geometric shape allowing it to perform the mass transfer of part of the working gas.
  • the driving force element, 38 is responsible for performing mechanical work and making it available for use.
  • This driving force element operates by the working gas forces of the engine, this element may be designed in various ways depending on the design requirements, it may for example be turbine shaped, cylinder piston shaped, connecting rods, crankshafts, in the form of a diaphragm or otherwise permitting work to be performed from gas forces during thermodynamic conversions.
  • Figure 1 represents the concept of open thermodynamic system and the concept of closed thermodynamic system
  • Figure 2 represents the characteristic of all thermodynamic cycles based on open and closed systems
  • Figure 3 shows the original idea of Carnot's thermal machine, conceptualized in 1824 by Nicolas Sadi Carnot;
  • Figure 4 represents the concept of hybrid or binary thermodynamic system
  • Figure 5 represents the characteristic of differential thermodynamic cycles based on hybrid or binary system:
  • Figure 6 shows the hybrid or binary thermodynamic system and a differential thermodynamic cycle and the detail of the two simultaneously occurring thermodynamic processes
  • Figure 7 shows the mechanical model consisting of the two thermodynamic subsystems that form a thermal motor under the concept of hybrid or binary system
  • Figure 8 shows one of the subsystems, group 31, performing the high temperature isobaric process of the thermodynamic cycle and the second subsystem, group 37, performing the low temperature isobaric process of the thermodynamic cycle;
  • Figure 9 shows one of the subsystems, group 31, performing the adiabatic thermodynamic cycle expansion process and the second subsystem, group 37, performing the adiabatic thermodynamic cycle compression process;
  • Figure 10 shows in turn the first subsystem group 31 performing its low temperature isobaric process of the thermodynamic cycle and the second subsystem group 37 performing the high temperature isobaric process of the thermodynamic cycle;
  • Figure 11 shows the first subsystem, group 31, performing the adiabatic thermodynamic cycle compression process and the second subsystem, group 37, performing the adiabatic thermodynamic cycle expansion process;
  • Figure 12 shows the ideal differential thermodynamic cycle composed of two high temperature isobaric processes, two low temperature isobaric processes two adriatic expansion processes, two adiabatic compression;
  • Figure 13 shows an example of motor application for an electricity generating plant using geothermal energy as its primary source
  • Figure 14 shows an example of motor application for an electricity generating plant having thermosound energy as its primary source
  • Figure 15 shows an example of differential cycle engine application for a combined system design, forming a combined cycle with an open system internal combustion engine.
  • the differential cycle motor consisting of two high temperature isobaric processes, two low temperature isobaric processes, two adiabatic expansion processes, two adiabatic compression processes is based on a hybrid thermodynamic system, or can also be termed a hybrid system.
  • binary thermodynamic by having two interdependent thermodynamic subsystems which each perform an interacting thermodynamic cycle, which can exchange heat, work and mass as shown in figure 4.
  • the hybrid system is shown or binary, consisting of two subsystems indicated by 21 and 23.
  • thermodynamic cycle differentiates, in this case detailing the processes that when in one of the subsystems, at time (t1) the cycle operates with mass (ml), number mol (n1) and temperature (Tq), at the same time, simultaneously, in the other subsystem, the cycle operates with mass (m2), number of mol (n2), temperature (Tf).
  • mass mass
  • m2 number of mol
  • Tf temperature
  • Figure 7 shows the engine model based on the hybrid system. or binary, containing two subsystems indicated by 31 and 37. Each subsystem has its thermomechanical conversion chamber, 33 and 35, a driving force element, 38. Connecting between the subsystems for mass transfer processes, there is an element of mass transfer 34.
  • Figures 8, 9, 10 and 11 show how the eight processes, four isobaric and four mass transfer adiabatic, occur mechanically.
  • subsystem 31 exposes the working gas to the hot source at the temperature (Tq) indicated at 39, and that subsystem performs the high temperature isobaric process and simultaneously the subsystem indicated by 37 exposes the working gas to the cold source.
  • Tq temperature
  • Tf temperature
  • this subsystem executes the low temperature isobaric process.
  • the gas is exposed to a thermally insulated region, indicated by 32, the gas, initially close to the hot temperature (Tq), expands into the conversion chamber, turning the gas heat into kinetic energy into an adiabatic process tending to At cold temperature (Tf), the internal energy of the gas becomes mechanical energy.
  • Tq hot temperature
  • Tf At cold temperature
  • part of the working gas of subsystem 31 with higher pressure is transferred to subsystem 37 at lower pressure through the mass transfer element indicated in 34, thus the adiabatic process of subsystem 31 was concurrently enhanced, while subsystem 37 receives part of the working gas mass of subsystem 31, and an adiabatic compression process also occurs simultaneously, bringing the gas from the near-cold (Tf) temperature to a warmer temperature, at the end of this process the high isobaric process begins.
  • Figure 12 shows the ideal eight-process full engine differential cycle based on the concept of hybrid or binary thermodynamic system, where two simultaneous engine processes always occur, exemplified by indications 64 and 65, until the cycle is formed. of eight processes.
  • sequence (1 -2-3-4-1) shows the processes of one of the engine cycle subsystems, the sequence (abcda), all interdependent.
  • the curve indicated by 63 shows the processes (abc) of one of the subsystems, process (a ⁇ b) is high temperature isobaric where energy enters the system shown in 67, occurs simultaneously with the low temperature isobaric process (3-4) whereby the unused energy shown in 68 of the curve indicated by 82 of the other subsystem occurs.
  • Process (bc) is adiabatic of expansion, occurs simultaneously with process (4-1), also adiabatic, but of compression, in process (bc) occurs the heat transfer (energy) of the engine gas to the shaft, transforming If in kinetic energy, simultaneously in process (4-1) occurs the transfer of kinetic energy to the engine gas received from the shaft, also in an adiabatic process, while simultaneously during the adiabatic processes of the motor cycle, the transfer of mass, leaving (nl - n2) mol of gas in the adiabatic expansion process (bc) to the other subsystem during the adiabatic compression process (4-1). Processes (2-3) ⁇ (d-a) are identical to processes (b-c) and (4-1).
  • Process (c-d) is low temperature isobaric and occurs simultaneously with process (1-2), high temperature isobaric.
  • the (da) process is adiabatic with mass increment and occurs simultaneously with the adiabatic expansion process (2-3) with mass reduction, thus ending the thermodynamic cycle with eight engine processes, always two simultaneous, the The sum of the working gas mass of the two subsystems forming the engine is always constant.
  • isobaric engine cycle processes (1-2), (ab), (3-4) and (cd) are performed with gas confined to a geometry characterized by a thermal inertia where the gas has a rate of change of temperature such that it tends to equalize with hot or cold elements only at the fin! of these processes, making the pressure relatively stable, that is, isobaric.
  • This geometry shall be characterized by a depth not too small for the penetration of heat into the gas, or a gas displacement between the hot and cold elements not too fast to produce a rate of change in temperature throughout the isobaric process. that the pressure has a constant behavior.
  • the engine cycle adiabatic processes (2-3) and (bc) are carried out with the gas in a thermally insulated region of the engine, and in this process the working gas will expand by transferring the gas energy to the engine mechanical elements.
  • storing energy in the form of kinetic energy and in adiabatic engine cycle compression processes (4-1) and (da) are also performed with gas in a thermally isolated region, and in this process the mechanical elements of the compression engine , transfer the kinetic energy back to the engine gas, raising its temperature, completing the process.
  • Table 1 shows process by process that form the cycle differentiates! of eight heat engine processes shown step by step, with four isobaric processes, four adiabatic processes and mass transfer steps.
  • This differential cycle of an engine consisting of two subsystems based on the concept of hybrid or torque system, whose pressure and volume curve is shown in figure 12, has eight processes, two high temperature isobaric processes of energy input into the system, shown by 67, curves (1-2) and (ab) are represented by expressions (d) and (e), two low temperature isobaric processes of disposal of unused energy, shown by 88, curves (3-4) ) and (cd) represented by the expressions (! and (g), the internal gas energy at point (2) of process (1-2) is represented by the expression (h), the internal gas energy at point (b) ) of process (ab) is represented by expression (i), the energy transferred with the gas mass from point (2) of process (1-2) is represented by expression (j).
  • the energy transferred with the gas mass from point (b) of process (ab) is represented by expression (k)
  • adiabatic expansion process (2-3) is represented by expression (i)
  • process of adiabatic expansion (bc) is represented by the expression (m)
  • the internal energy in gas at point (3) is the resultant energy of point (2) after mass transfer and adiabatic expansion represented by the expression (n)
  • the internal energy in gas at point (c) is that resulting from the energy of point (b) after mass transfer and adiabatic expansion, represented by the expression (o)
  • the internal energy of gas at point (4) of the process (3-4) is represented by expression (p)
  • the internal energy of gas at point (d) of process (cd) is represented by expression (q)
  • the internal energy in gas at point (1) is that resulting from energy of point (4) after the introduction of mass and adiabatic compression, represented by the expression (r)
  • the internal energy n The gas at point (a) is that resulting from the energy of point (d) after
  • Hybrid or torque based differential cycle motors operate on heat, do not require combustion, although they can be used, do not require fuel combustion, although they can be used, so they can operate in environments with or without atmosphere.
  • the thermodynamic cycle does not require physical phase change of the working gas.
  • differential cycle motors can be designed to operate over a wide temperature range, higher than most existing open or closed system based motor cycles. Differential cycle motors are fully flexible in terms of their energy source (heat).
  • Figure 13 shows an application for the use of the differential cycle motor for power generation from geothermal sources.
  • Figure 13 shows a ground heat transfer system 76 for a manifold 74, formed basically by a pump 77 that injects a fluid, usually water, through the duct 73.
  • the collor 74 in the manifold 74 is transferred to the cycle motor.
  • differential 71 which discards part of the energy to the outside through the heat exchanger 75 and converts another part of the energy into work by operating a generator 72 which produces electricity.
  • Figure 14 shows another useful application for the differential cycle motor for producing heat from the sun's heat.
  • the sun's rays are collected through the concentrator 83, the energy (smaller) is transferred to the element 84 which directs the heat to the differential cycle motor 81, which converts part of the energy into useful work to operate an electricity generator. , part of the energy is discharged to the external environment through the exchanger 85.
  • Figure 15 shows another useful application for the differential cycle engine to improve the efficiency of internal combustion engines by forming combined cycles with them.
  • the heat rejected by the exhaust, 96, of the internal combustion engines, indicated by 92, fuel-fed, 97, Brayton cycle, Diesel cycle, Sabathe cycle, Otto cycle, Atkinson cycle, is channeled to the input of energy (heat). of the differential cycle engine 91 via a heat exchanger 93 promoting a heat flow 91 1 of the internal combustion engine 92 towards the differential cycle engine 91 and this converts part of this energy into useful mechanical force, 913 which may be integrated with the mechanical force of the internal combustion engine, 912 generating a single mechanical force, 98, or directed to produce electrical energy.
  • Discarding energy not converted by the differential cycle engine goes to the external environment indicated by 910. This application allows you to recover some of the energy that internal combustion engine cycles cannot use to perform useful work and thus improve the efficiency it generates. ! of the system.

Landscapes

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Abstract

Refere-se a presente invenção a um motor térmico e seu ciclo termodinâmico de oito processos, mais especificamente trata-se de uma máquina térmica caracterizada por dois subsistemas termodinâmicos interligados, cada um opera um ciclo termodinâmico de quatro processos, porém interdependentes entre si, formando um ciclo complexo de oito processos, opera com gás, o circuito deste sistema binário é fechado em configuração diferencial, baseado no conceito de sistema termodinâmico híbrido ou também pode ser chamado de sistema termodinâmico binário, este sistema realiza um cicio termodinâmico composto por oito processos de forma que o mesmo executa em qualquer momento do ciclo, dois processos simultâneos e interdependentes, complementares, sendo quatro processos "isobáricos" e quatro processos "adiabàíicos" com transferência de massa variável, podendo esta ser nula ou parcial.

Description

"MOTOR TÉRMICO DE ClCLO DIFERENCIAL COMPOSTO POR QUATRO PROCESSOS ISOBÁRICOS, QUATRO PROCESSOS ADIABÁTÍCOS E PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMÍCO DO MOTOR TÉRMICO"
CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO
[001] Refere-se a presente invenção a um motor térmico e seu ciclo termodinâmico de oito processos, mais especificamente trata-se de uma máquina térmica caracterizada por dois subsistemas termodinâmicos interligados, cada um opera um ciclo termodinâmico de quatro processos, porém interdependentes entre si, formando um ciclo complexo de oito processos, opera com gás, o circuito deste sistema binário é fechado em configuração diferencial, baseado no conceito de sistema termodinâmico híbrido ou também pode ser chamado de sistema termodinâmico binário, este sistema realiza um ciclo termodinâmico composto por oito processos de forma que o mesmo executa em qualquer momento do ciclo, dois processos simultâneos e interdependentes, complementares, sendo quatro destes processos "isobáricos" e quatro "adiabaticos" com transferência de massa variável, podendo esta ser nula ou parcial.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[002] A termodinâmica clássica define três conceitos de sistemas termodinâmicos, o sistema termodinâmico aberto, o sistema termodinâmico fechado e o sistema termodinâmico isolado. Estes três conceitos de sistemas termodinâmicos foram conceituados no século XSX nos primórdios da criação das leis da termodinâmica e fundamentam todos os ciclos motores conhecidos até o presente.
[003] O sistema termodinâmico isolado é definido como um sistema no qual nem matéria, nem energia passa através dele. Portanto, este conceito de sistema termodinâmico não oferece propriedades que permitam o desenvolvimento de motores.
[004] O sistema termodinâmico aberto é definido corno um sistema termodinâmico em que energia e matéria podem entrar e sair deste sistema. São exemplos de sistema termodinâmico aberto os motores de combustão interna, de ciclo Otto, de ciclo Atkinson, semelhante ao ciclo Otto, de ciclo Dieseí, de ciclo Sabathe, semelhante ao ciclo Diesei, de ciclo Brayton de combustão interna, de ciclo Rankine com exaustão do vapor ao ambiente. A matéria que entra nestes sistemas são os combustíveis e oxigénio ou fluido de trabalho ou gás de trabalho. A energia que entra nestes sistemas é o calor. A matéria que sai destes sistemas são a exaustão da combustão ou do fluido de trabalho, gases, resíduos, a energia que saí destes sistemas são a energia mecânica de trabalho e parte do calor dissipado.
[005] O sistema termodinâmico fechado é definido como um sistema termodinâmico em que apenas a energia pode entrar e sair deste sistema. São exemplos de sistema termodinâmico fechado, motores de combustão externa como o de ciclo Stíriing, de ciclo Ericsson, de ciclo Rankine com fluído de trabaiho em circuito fechado, de ciclo Brayton de calor ou de combustão externa, de ciclo Carnot. A energia que entra neste sistema é o calor. A energia que saí deste sistema são a energia mecânica de trabalho e parte do calor dissipado, porém não saí matéria destes sistemas, como ocorrem no sistema aberto.
[006] Ambos os sistemas, aberto e fechado, como entrada eles possuem no tempo (ti) a temperatura (Tq), a massa (m1) e o número de mol (n1) e na saída, no tempo (t2), ambos possuem a temperatura (Tf), a massa (m1) e o número de mol (nl), a massa é constante, a diferença entre ambos é que no sistema aberto a massa (m1) atravessa o sistema e no sistema fechado, a massa (m1) permanece no sistema, conforme a figura 1.
O ESTADO ÂTUAL DA TÉCNICA
[007] Os motores conhecidos até o presente são fundamentados em sistemas termodinâmicos aberto ou sistemas termodinâmicos fechado, eles possuem seus ciclos termodinâmicos compostos por uma série de processos sequenciais e independentes, e ocorre um único processo por vez até que o ciclo se complete, corno pode ser observado no gráfico pressão/volume na figura 2. Assim sào os motores de ciclo Otto, Aíkínson, Diesel, Sabaihe, Brayton, Rankine, Stiriing, Ericsson e o ciclo teórico ideal de Carnot.
[008] A energia interna do gás de trabalho dos motores baseados nos sistemas aberto e fechado não é constante durante o seu ciclo, a equação que representa a energia interna é indicada na equação (a)
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[009] Na equação (a), (U) representa a energia interna em "Joule", (r?) representa o número de mol, (R) representa a constante universal dos gases perfeitos, (7) representa a temperatura do gás em "Kelvin" e (y) representa o coeficiente de expansão adiabática,
[010] Como ocorre sempre um único processo por vez nos motores projetados com o conceito de sistema aberto ou fechado, a energia interna varia com o tempo, uma vez que o produto: número de moi (n) pela temperatura (7), (n. T) não é constante durante o ciclo, pois a temperatura (7) é uma variável nos processos e o número de mol (n) é uma constante nos processos.
[01 1] O atual estado da técnica que caracteriza todos os motores, é caracterizado ainda pela propriedade onde a saída do processo, o trabalho, é uma consequência direta da entrada da energia, calor ou combustão, ou seja, quando é necessário mais trabalho, injeta-se mais calor ou se promove mais combustão, todos os processos que formam o ciclo do motor são igualmente Influenciados, em outras palavras, os motores sáo controiados pela alimentação direta. Por exemplo, nos motores de combustão interna, Otto, Diesel, Brayton, para se obter maior potência injeta-se mais combustível, mais oxigénio e assim se produz mais trabalho, mais rotação. Para se obter maior potência com rotação constante, normalmente utilizarn-se caixas de redução ou transformação de rotação. Por analogia, tais tecnologias podem ser comparadas na eleíricidade a motores de corrente contínua, estes, para aumentar a potência, aumenta-se a tensão de alimentação do motor.
[012] O atual estado da técnica compreende uma série de motores de combustão interna e de combustão externa, a maioria destes motores exigem um segundo motor auxiliar para leva-los a partir, ao funcionamento. Os motores de combustão interna exigem a compressão, mistura de combustível com o oxigénio e uma centelha ou combustão por pressão, desta forma um motor auxiliar de partida, normalmente elètrico, é utilizado. Os motores de combustão externa, como o de ciclo Stirling ou Ericsson por sua vez também exigem motores auxiliares e de alta potência, pois eles precisam vencer o estado de repouso sob pressão para entrar em operação. Uma exceção é o motor de ciclo Rankine, este pode partir através do comando de válvulas para fornecer a pressão do vapor aos elementos de força motriz.
[013] O atuai estado da técnica compreende uma série de motores, a maioria deles, dependentes de condições muito específicas e especiais para operar, por exemplo, os motores de combustão interna, cada um deles exige seu combustível específico, controle fino de combustível, oxigénio e o tempo da combustão e em alguns casos exigem condições específicas inclusive de pressão, a flexibilidade no combustível é bem limitada. Nesta categoria, dos motores fundamentados nos sistemas aberto e fechado, o motor mais flexível é o de ciclo Rankine, de combustão externa, o Stirling ou o Ericsson, também de combustão externa, estes são mais flexíveis quanto à fonte.
[014] O atuai estado da técnica compreende uma série de ciclo motores, a maioria exige combustão, isto é, a queima de algum tipo de combustível, e, portanto, a necessidade de oxigénio.
[015] O estado atuai da técnica compreende uma série de ciclo motores, a maioria exige altas temperaturas para operação, os de combustão interna especialmente, costumam operar com o gás de trabalho em temperatura superiores a 1500 °C. Os motores de combustão externa ou operante por fontes de calor externas, como de ciclo Rankine e Stirling, normalmente são projetados para operarem com temperaturas do gás de trabalho entre 400 °C e 800 °C. Além dos motores baseados nos sistemas aberto e fechado exigirem na maioria das vezes altas temperaturas para que possam operar, todos eles possuem suas eficiências limitadas ao teorema de Carnot, isto é, suas eficiências máximas dependem exclusivamente das temperaturas conforme definido peia equação (b),
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[016] Na equação (b), (q) é o rendimento, ( Τf) é a temperatura da fonte fria e ( Tq) é a temperatura cia fonte quente, ambas em "Kelvin".
[017] O estado atual da técnica, baseado nos sistemas aberto e fechado, compreende basicamente seis ciclos motores e aigumas versões destes: o ciclo Oito, de ciclo Atkinson, semelhante ao ciclo Otto, de ciclo Diesel, de ciclo Sabathe, semelhante ao ciclo Diesel, de ciclo Brayton, de ciclo Rankine, de ciclo Stiding, de ciclo Ericsson e o de ciclo Carnot, referência teórica ideal para os motores fundamentados nos sistema aberto e fechado. As úítimas novidades do estado atual da técnica vem sendo apresentadas através de inovações juntando-se mais de um ciclo antigo formando ciclos combinados, isto é: novos sistemas de motores compostos por uma máquina de ciclo Brayton operante com combustíveis de origem fóssil, gás ou óleo e uma máquina de ciclo Rankine dependente do calor rejeitado pela máquina de ciclo Brayton. Ou a mesma filosofia, uníndo-se um motor de ciclo Diesel com um de ciclo Rankine ou ainda um motor de ciclo Otto, também unindo-o com um motor de ciclo Rankine.
[018] O estado atual da técnica apresenta uma série de limitações e oferece também uma série de problemas, A maioria dos motores, como os de combustão interna, de ciclo Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe e Brayton, exigem combustíveis específicos para cada conceito, por exemplo: gasolina, óleo diesel, gás, querosene, carvão, e de alto poder calorífico, precisam trabalhar sob altas temperaturas e por consequência, durante muitos anos, vem dependendo de combustíveis fósseis, trazendo danos graves ao clima e meio- ambíente, isto é, são caracterizados peia não sustentabilidade. O sistema termodinâmico sob os quais estes motores são projeíados trazem como limitação de eficiência o teorema de Carnot o qual, em função de seu princípio, impõe o limite da eficiência como função direía e exclusiva das temperaturas, conforme equação (b).
[019] A maioria dos motores da alualidade exigem combustíveis refinados e poluentes com efeitos nocivos ao clima, ao ambiente e, portanto, comprometem a sustentabilidade. Uma das mais recentes tecnologias desenvolvidas para minimizar o impacto, foi a junção de dois antigos conceitos de motores, o motor de ciclo Brayton e o motor de ciclo Rankine, formando um sistema composto por dois ciclos combinados, de forma tal que o rejeito de calor da primeira máquina é utilizado pela segunda máquina para melhorar a eficiência do conjunto, porém o uso de combustíveis fósseis e seus efeitos permanecem. O ciclo combinado continua a ser caracterizado por um motor sob conceito de sistema aberto e um motor sob o conceito de sistema fechado, independentes, ou seja, é classificado como sistema combinado, dois ciclos completamente independentes, não se caracteriza como sistema híbrido ou binário.
[020] Os demais motores, de ciclo Stirling e Ericsson, são motores sob o conceito de sistema fechado, são de combustão externa ou fonte de calor externo. Em função de suas propriedades, embora tenham os conceitos mais simples de motores, são difíceis de serem construídos. Exigem parâmetros de projetos casados, isto é, funcionam bem, com boa eficiência, apenas em seu regime específico de operação, temperatura, pressão, carga, fora do ponto central de operação suas eficiências caem bruscamente, ou não operam. Portanto são máquinas muito pouco utilizadas para uso industrial ou popular.
[021] O motor ideal de Carnot, figura 3, por sua vez, embora seja considerado o motor ideal, mais perfeito até o presente, ele o é na teoria e dentro dos conceitos de sistema aberto e fechado considerando todos os parâmetros ideais, por este motivo é a referência até hoje para todos os conceitos de motores existentes. O motor de Carnot não é encontrado no uso prático porque os materiais reais não possuem as propriedades exigidas para tornar o motor de Carnot uma realidade, as dimensões físicas para que o ciclo de Carnot possa ser executado como na teoria, seriam inviáveis em um caso prático, portanto ele é um Motor ideal nos conceitos de sistema aberto e sistema fechado, porém no conceito teórico.
[022] O controle de potência, rotação e torque, dos motores existentes, de ciclo Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Brayíon, estes de combustão interna, são decorrentes direlamenfe da alimentação de combustíveis e oxigénio e como resultado oferecem maior rotação e torque simultaneamente. Para haver separação entre o torque e a rotação, eles exigem caixas de velocidade. Estas máquinas não pemiitem controlabilidade, ou no mínimo, oferecem dificuldades na controlabilidade através de seus ciclos termodinâmicos,
[023] O controle de potência, rotação e torque, dos motores existentes de ciclo Rankine, este de combustão externa, são decorrentes da vazão e da pressão do vapor ou gás de trabalho, e como resultado oferecem variações interdependentes de rotação e torque simultaneamente, não há controlabilidade separada entre torque e rotação.
[024] O controle de potência, rotação e torque, dos motores existentes de ciclo Stiriing e Ericsson, estes de combustão externa, são decorrentes da massa ou pressão do gás de trabalho, das temperaturas, da geometria construtiva, e como resultado oferecem variações interdependentes de rotação e torque simultaneamente, não há controlabilidade separada entre torque e rotação. Estas máquinas possuem suas curvas de operação muito estreitas oferecendo baixa controlabilidade e uma faia estreita de operacionabiSidade. Nestes casos são comuns projetos que não funcionam porque os parâmetros, nas suas interdependências podem não oferecer as condições que levam o motor a funcionar.
[025] O estado atual da técnica, recentemente revelou algumas referências que já se encontram com conceitos semelhantes do sistema híbrido ou binário, são motores que apresentam características de possuírem dois ciclos termodinâmicos interdependentes constituindo um ciclo complexo formado por oito processos, sempre com dois processos operando simultaneamente em um sistema formado por dois subsistemas integrados. A patente "PI 1000624-9" registrada no Brasil definida como "Conversor de energia termomecânico" é constituído por dois subsistemas que opera por meio de um ciclo termodinâmico formado por quatro processos isotérmicos e quatro processos isocóricos, sem regeneração. A patente ' PCT/BR2013/000222" registrada nos Estados Unidos da América definida como "Máquina térmica que opera em conformidade com o ciclo termodinâmico de Carnot e processo de controle" a qual é constituída por dois subsistemas e opera em cada subsistema, um ciclo termodinâmico formado por dois processos isotérmicos de dois processos adiabáticos. A. patente "PCT/BR2014/000381 " registrada nos Estados Unidos da América definida como "Máquina térmica diferenciai com ciclo de oito transformações termodinâmicas e processo de controle" a qual é constituída por dois subsistemas e opera um ciclo termodinâmico formado por quatro processos isotérmicos de quatro processos adiabáticos. Estas referências diferem da presente invenção quanto aos processos termodinâmicos que formam seus ciclos, cada ciclo oferece ao motor características próprias. O conceito de sistema termodinâmico híbrido ou binário oferece a base para o desenvolvimento de uma nova família de motores térmicos, cada motor terá características próprias conforme os processos e fases que constituem os seus respectivos ciclos termodinâmicos, como por exemplo, o motor Otto e o motor Diesel, ambos de combustão interna, são motores fundamentados no sistema termodinâmico aberto, porém constituem motores distintos e o que os distingue são detalhes de seus ciclos termodinâmicos, o ciclo do motor Otto é constituído basicamente por um processo adíabático de compressão, um processo ísocórico de combustão, um processo adiabático de expansão e um processo ísocórico de exaustão e o ciclo do motor Diesel é constituído por um processo adiabático de compressão, um processo isobárico de combustão, um processo adíabático de expansão e um processo Ísocórico de exaustão, portanto eles diferem em apenas um dos processos que formam seus ciclos, o suficiente para conferir a cada um, propriedades e usos específicos e diferentes. Da mesma forma, o conceito de sistema híbrido ou binário oferece a base para uma nova família de motores térmicos constituídos por dois subsistemas e estes irão operar com ciclos ditos diferenciais formados por processos onde sempre ocorrerão dois processos simultâneos, cada um terá particularidades próprias as quais caracterizarão cada um dos ciclos-motores.
OBJETlVOS DA INVENÇÃO
[026] Os grandes problemas do estado da técnica são, portanto, a dificuldade das tecnologias atuais a atender projetos sustentáveis, em função da dependência de combustíveis fósseis, poluentes, com impactos graves ao ambiente e ao clima, baixa eficiência, limitada exclusivamente ás temperaturas, demonstrado pelo teorema de Carnot, baixo nível de controiabilidade em função das limitações na variabilidade dos parâmetros dos modelos fundamentados nos sistemas termodinâmicos aberto e fechado, falta de flexibilidade quanto às fontes de energia, muitos exigem combustíveis refinados e específicos, alta dependência do ar (oxigénio) para combustão e muitos deles dependem de um segundo motor para leva-los à operação (um motor de partida).
[027] O objetivo da invenção se concentra em eliminar alguns dos problemas existentes e minimizar outros problemas, porém o maior objetivo foi em desenvolver novos ciclos-motores baseados em um novo conceito de sistema termodinâmico de forma que a eficiência dos motores não ficasse mais dependentes exclusivamente das temperaturas e cujas fontes de energia possam ser diversificadas e que permitisse projeto de motores para ambientes inclusive sem ar (oxigénio). O conceito de sistema híbrido ou binário, característica própria que fundamenta esta invenção, elimina a dependência da eficiência de forma exclusiva à temperatura, a eficiência de qualquer máquina térmica depende dos seus potenciais e de seus diferenciais de potenciais, enquanto que os sistemas aberto e fechado geram potenciais onde a massa do gás é constante e por este motivo elas se cancelam nas equações, os sistemas híbridos ou binários a massa não necessariamente é constante, portanto não se cancelam e as suas eficiências dependem dos potenciais dos quais se originam a força motriz, isto é, das pressões. O conceito de sistema híbrido proporciona potenciais dependentes, proporcionais ao produto da massa de gás de trabalho pela temperatura. Como no sistema híbrido, diferente dos sistemas aberto e fechado, a massa é variável, a sua eficiência passa a ser uma função não exclusiva da temperatura, mas dependente da massa e para um motor de ciclo diferencial composto por quatro processos isobáricos, quatro processos adiabáticos, com transferência de massa entre seus subsistemas durantes os processos adiabáticos, a eficiência é demonstrada conforme apresentado na equação (c) e figura 4.
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[028] Na equação (c), (η) é o rendimento, (T1) é a temperatura iniciai do processo isobárico de alta temperatura, (72) é a temperatura final do processo isobárico de alia temperatura, esta temperatura tende a se equaiizar com a temperatura da fonte quente (Tq), (73) é a temperatura inicial do processo isobárico de baixa temperatura, (74) é a temperatura final do processo isobárico de baixa temperatura, esta temperatura fende a se equaiizar corn a temperatura da fonte fria (77), todas as temperaturas em "Kelvin", (n1) é o número de moles do subsistema 1 , indicado pela região 21 da figura 4, (n2) é o número de moles do subsistema 2, indicado pela região 23 da figura 4.
[029] A dependência de altas temperaturas da maioria dos motores do atual estado da técnica levam também à dependência de combustíveis com alto poder calorífico, dificultando o uso de fontes limpas as quais normalmente oferecem menor temperatura. O conceito de ciclo diferencial sob o sistema híbrido, e fluído de trabalho cujos processos não obriguem a troca de fase física, elimina esta obrigatoriedade da dependência de altas temperaturas, O conceito diferenciai onde o ciclo opera sempre dois processos por vez, (26 e 27) da figura 5. simultaneamente e interdependentes, viabiliza máquinas que possam operar com baixas temperaturas e por consequência, as fontes limpas renováveis, como a termossoíar, geotermai, passam a ser plenamente viáveis e suas eficiências passam a ter a massa, ou número de moles, como mostrado na equação (c), como parâmetro para a obtenção de eficiências melhores, mesmo com diferenciais de temperatura relativamente baixos.
[030] Os principais ciclos termodinâmicos conhecidos, Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe. Brayton, Stirling, Ericsson, Rankine e o ciclo Carnot executam um único processo por vez sequencialmente, conforme mostrado na figura 2, referenciado ao ciclo mecânico dos elementos de força motriz, seu controle é uma função díreta da alimentação da fonte de energia, por sua vez, os ciclos diferenciais do sistema híbrido ou binário, executam dois processos por vez, figura 5, viabilizando o controle do ciclo termodinâmico separado do ciclo mecânico, o ciclo pode ser modulado e desta forma o ciclo mecânico passa a ser uma consequência do ciclo termodinâmico e não mais o contrário.
DESCRSÇÃO DA INVENÇÃO
[031] Os motores de ciclos diferenciais são caracterizados por possuírem dois subsistemas, formando um sistema híbrido ou binário, representado por (21 e 23) da figura 4, cada subsistema executa um ciclo referenciado ao outro subsistema de modo a executarem sempre dois processos simultâneos e interdependentes. De outra forma, considerando um sistema híbrido ou binário com propriedades dos sistemas aberto e do fechado simultaneamente, díz-se que o sistema executa um ciclo termodinâmico composto, figura 5, isto é, executa sempre dois processos por vez simultâneos (26 e 27) da figura 5, interdependentes, inclusive com transferência de massa. Portanto trata-se de motores e ciclos completamente distintos dos motores e ciclos baseados nos sistemas aberto ou fechado. Na figura 6 pode ser observada a relação entre o sistema híbrido ou binário e o ciclo termodinâmico diferencial.
[032] O conceito de sistema termodinâmico híbrido é novo. é caracterizado por um sistema binário, formado por dois subsistemas interdependentes e entre eles há troca de matéria e energia e ambos fornecem para fora de seus limites, energia em forma de trabalho e parte da energia em forma de calor dissipada. Este sistema termodinâmico foi criado no século XXI e oferece novas possibilidades para o desenvolvimento de motores térmicos.
[033] A presente invenção trás evoluções importantes para a conversão de energia térmica em mecânica seja esta para uso em geração de energia ou outro uso, como força mecânica para movimentação e tração. Algumas das principais vantagens que podem ser constatadas são: a total flexibilidade quanto à fonte da energia (calor), a independência de atmosfera, não necessita de atmosfera para que um motor do ciclo diferenciai possa operar, a flexibilidade quanto às temperaturas, o motor de ciclo diferencial pode ser projetado para funcionar em uma faixa muito extensa de temperatura, bem superior à maioria dos motores fundamentados nos sistemas aberto e fechado, inclusive, um motor de ciclo diferencial pode ser projetado para funcionar com ambas as temperaturas abaixo de zero grau Celsius, basta que as condições de projeto promovam a expansão e contração do gás de trabalho e basta que os materiais escolhidos para a sua construção tenham as propriedades para executar as suas funções operacionais nas temperaturas de projeto. Outras vantagens importantes que distinguem o motor de ciclo diferencial fundamentado no sistema híbrido ou binário é a sua controlabilidade em função da facilidade na modulação dos processos termodinâmicos e em projetos de motores que dispensam o uso de motores de partida, ou no mínimo, estes seriam de pequeno porte, em função da facilidade de gerar um íorque por meio do diferencial de forças propiciado peio sistema formado por duas câmaras de conversão, isto é, dois subsistemas. Portanto as vantagens constatadas abrangem a flexibilidade das fontes, promovendo o uso de fontes limpas e renováveis como as vantagens operacionais, podendo operar teoricamente em quaisquer faixas de temperatura e sua propriedade de controle da rotação e torque.
[034] O motor de ciclo diferencial baseado no conceito de sistema híbrido ou binário poderá ser construído com materiais e técnicas semelhantes aos motores convencionais e motores de ciclo Stirling, como se trata de um motor que trabalha com gás em circuito fechado, considerando o sistema completo, isto é. o sistema completo é formado por dois subsistemas termodinâmicos integrados, 31 e 37, configurando um sistema termodinâmico binário ou híbrido, cada subsistema é formado por uma câmara, 33 e 35, contendo gás de trabalho e cada uma destas, são formadas por três subcâmaras. uma aquecida, 33 com 39 e 35 com 42, uma resfriada, 33 com 41 e 35 com 310, e outra isolada, 33 com 32 e 35 com 36, conectado a estas duas câmaras há um elemento de força motriz, 38, entre os subsistemas há um elemento de transferência de massa, 34, portanto os subsistemas são abertos entre si, entre o sistema completo e o meio externo, é considerado fechado, estes dois subsistemas executam simultaneamente cada um deles, um ciclo de quatro processos interdependentes formando um ciclo termodinâmico diferencial, 61 , único, de oito processos, sendo quatro deles isobáricos, (a-b), (1 -2), (c-d) e Í3~ 4), quatro adiabáticos, (b-c), (2-3), (d-a) e (4-1), com transferência de massa variável Este conceito em circuito fechado de gás de trabalho com relação ao meio externo indica que o sistema deve ser vedado, ou em alguns casos, vazamentos podem ser admitidos, desde que compensados. Materiais adequados para esta tecnologia devem ser observados, sâo semelhantes, neste aspecto, às tecnologias de projetos de motores de ciclo Stirling. O gás de trabalho depende do projeto, de sua aplicação e dos parâmetros utilizados, o gás poderá ser vários, cada um proporcionará particularidades específicas, como exemplo pode ser sugerido os gases: hélio, hidrogénio, nitrogénio, ar seco, neon, entre outros.
[035] As câmaras de conversão, itens que caracterizam o sistema híbrido ou binário, poderão ser construídas com diversos materiais, dependendo das temperaturas de projeto, do gás de trabalho utilizado, das pressões envolvidas, do ambiente e condições de operação. Estas câmaras possuem cada uma. três subcâmaras e estas devem ser projetadas observando a exigência de isolamento térmico entre sí para minimizar o fluxo direto de energia a partir das áreas quentes para as frias, esta condição é importante para a eficiência geral do sistema. Estas câmaras possuem internamente elementos que movimentam o gás de trabalho entre as subcamaras quente, fria e isoladas, estes elementos podem ser de diversas formas geométricas, depende da exigência e dos parâmetros do projeto, poderá, por exemplo, ser em forma de discos, em forma cilíndrica ou outra que permita a movimentação do gás de trabalho de forma controlada entre as subcamaras.
[036] O elemento de transferência de massa, 34, interliga as duas câmaras, 33 e 35, este elemento é o responsável pela transferência de parte da massa de gás de trabalho entre as câmaras que ocorre em momento especifico durante os processos acliabáticos. Este elemento poderá ser projetado de várias formas dependendo das exigências do projeto, poderá operar peia simples diferença de pressão, isto é em forma de válvula, ou poderà operar de modo forçado, por exemplo, em forma de turbina, em forma de pistões ou em outra forma geométrica que lhe permita executar a transferência de massa de parte do gás de trabalho.
[037] O elemento de força motriz, 38, é o responsável por executar o trabalho mecânico e disponibilizá-lo para usos. Este elemento de força motriz opera pelas forças do gás de trabalho do motor, este elemento poderá ser projetado de várias formas, dependendo das exigências de projeto, poderá, por exemplo, ser em forma de turbina, em forma cie pistões com cilindro, bielas, virabrequsns, em forma de diafragma ou em outra forma que permita a realização de trabalho a partir das forças do gás durante as conversões termodinâmicas.
DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[038] As figuras anexas demonstram as principais características e propriedades dos conceitos antigos das máquinas térmicas e as inovações propostas baseadas no sistema híbrido ou binário, sendo representadas conforme segue abaixo:
A figura 1 representa o conceito de sistema termodinâmico aberto e o conceito de sistema termodinâmico fechado;
A figura 2 representa a característica de todos os ciclos termodinâmicos fundamentados nos sistemas aberto e fechado; A figura 3 mostra a ideia originai da máquina térmica de Carnot, conceituada em 1824 por Nicolas Sadi Carnot;
A figura 4 representa o conceito de sistema termodinâmico híbrido ou binário;
A figura 5 representa a característica dos ciclos termodinâmicos diferenciais fundamentados no sistema híbrido ou binário:
A figura 6 mostra o sistema termodinâmico híbrido ou binário e um ciclo termodinâmico diferencial e o detalhe dos dois processos termodinâmicos que ocorrem simultaneamente;
A figura 7 mostra o modelo mecânico constituído pelos dois subsistemas termodinâmicos que formam um motor térmico sob o conceito de sistema híbrido ou binário;
A figura 8 mostra um dos subsistemas, grupo 31 , realizando o processo isobárico de alta temperatura do ciclo termodinâmico e o segundo subsistema, grupo 37, realizando o processo isobárico de baixa temperatura do ciclo termodinâmico;
A figura 9 mostra um dos subsistemas, grupo 31 , realizando o processo adiabático de expansão do ciclo termodinâmico e o segundo subsistema, grupo 37, realizando o processo adiabático de compressão do ciclo termodinâmico;
A figura 10, mostra por sua vez, o primeiro subsistema, grupo 31 , realizando o seu processo isobárico de baixa temperatura do ciclo termodinâmico e o segundo subsistema, grupo 37, realizando o processo isobárico de alta temperatura do ciclo termodinâmico;
A figura 1 1 mostra primeiro subsistema, grupo 31 , realizando o processo adiabático de compressão do ciclo termodinâmico e o segundo subsistema, grupo 37, realizando o processo adiabático de expansão do ciclo termodinâmico;
A figura 12 mostra o ciclo termodinâmico diferencial ideal composto por dois processos isobáricos de alta temperatura, dois processos isobáricos de baixa temperatura dois processos adíabáticos de expansão, dois processos adiabáticos de compressão;
A figura 13 mostra um exemplo de aplicação do motor para uma planta geradora de eletricidade tendo como fonte primária a energia geotermal;
A figura 14 mostra um exemplo de aplicação do motor para uma planta geradora de eletrícidade tendo como fonte primária a energia termossoiar;
A figura 15 mostra um exemplo de aplicação do motor de ciclo diferencial para um projeto de um sistema combinado, formando um ciclo combinado com um motor de combustão interna do sistema aberto.
DESCRIÇÃO DETALHADA DO INVENTO
[039] O motor de ciclo diferencial constituído por dois processos isobáricos de alta temperatura, dois processos isobáricos de baixa temperatura, dois processos adiabáticos de expansão, dois processos adiabáticos de compressão é fundamentado em um sistema termodinâmico híbrido, ou também pode ser denominado de sistema termodinâmico binário por possuir dois subsistemas termodinâmicos interdependentes os quais cada um realiza um ciclo termodinâmico que interagem-se entre si, podendo trocar calor, trabalho e massa conforme é representado na figura 4. Em 22, da figura 4, é mostrado o sistema híbrido ou binário, composto por dois subsistemas indicados por 21 e 23.
[040] Na figura 6 é mostrado novamente o sistema termodinâmico híbrido ou binário e o ciclo termodinâmico diferenciai, detalhando, neste caso os processos, que quando em um dos subsistemas, no tempo (t1 ) o ciclo opera com massa (ml), número de mol (n1 ) e temperatura (Tq), neste mesmo instante, simultaneamente, no outro subsistema, o ciclo opera com massa (m2), número de mol (n2), temperatura (Tf). Em uma máquina baseada em um sistema híbrido ou binário, composto por dois subsistemas, a soma da massa de gás de trabalho é sempre constante (m1 + m2 = cte), porém não necessariamente são constantes nos seus respectivos subsistemas, entre eles pode haver troca de massa.
[041] Na figura 7 é mostrado o modelo de motor baseado no sistema híbrido ou binário, contendo dois subsistemas indicado por 31 e 37. Cada subsistema possui sua câmara de conversão termomecânica, 33 e 35, um elemento de força motriz, 38. Fazendo conexão entre os subsistemas para os processos de transferência de massa, há um elemento de transferência de massa 34.
[042] As figuras 8, 9, 10 e 11 mostram como ocorrem mecanicamente os oito processos, quatro isobáricos e quatro adiabáticos com transferência de massa. Na figura 8, o subsistema 31 expõe o gás de trabalho â fonte quente, na temperatura (Tq), indicado em 39, esíe subsistema executa o processo isobárico de alta temperatura e simultaneamente o subsistema indicado por 37 expõe o gás de trabalho à fonte fria, na temperatura (Tf), indicado em 310, e neste instante, simultaneamente, este subsistema executa o processo isobárico de baixa temperatura. Estes processos se alternam ente os subsistemas, conforme mostrado na figura 10. Após finalização dos processos isobáricos, na figura 9 e 11 são mostrados como os subsistemas processam os seus respectivos processos adiabáticos com ou sem transferência de massa, após o subsistema 31 finalizar seu processo isobárico de alta temperatura, o gás é exposto a uma região isolada termicamente, indicado por 32, o gás, inicialmente próximo à temperatura quente (Tq), expande na câmara de conversão, transformando o calor do gás em energia cinética em um processo adiabático tendendo à temperatura fria (Tf), a energia interna do gás se transforma energia mecânica, simultaneamente, parte do gás de trabalho do subsistema 31 , com pressão maior, é transferido para o subsistema 37 em pressão menor através do elemento de transferência de massa indicado em 34, concíuí-se assim o processo adiabático de expansão do subsistema 31 , simultaneamente, o subsistema 37 recebe parte da massa de gás de trabalho do subsistema 31 , e ocorre também, simultaneamente um processo adiabático de compressão, levando o gás da temperatura próxima à fria (Tf) para uma temperatura mais quente, no final deste processo inicia-se o processo isobárico de alta temperatura e durante este processo o subsistema 37 passa a ter massa maior que o subsistema 31. [043] A figura 12 mostra o ciclo diferencial ideal do motor, cie oito processos, completo, baseado no conceito de sistema termodinâmico híbrido ou binário, onde sempre ocorrem dois processos simultâneos no motor, exemplificado peias indicações 64 e 65, até formar o ciclo completo de oito processos. Em 61 , a sequência (1 -2-3-4-1 ) mostra os processos de um dos subsistemas que formam o ciclo do motor, a sequencia (a-b-c-d-a), todos interdependentes.
[044] Na figura 12, em 61 , a curva indicada por 63 mostra os processos (a-b-c- d-a) de um dos subsistemas, o processo (a~b) é isobárico de alta temperatura onde ocorre a entrada de energia no sistema mostrado em 67, ocorre simultaneamente com o processo isobárico de baixa temperatura (3-4) por onde ocorre o descarte da energia não utilizada mostrado em 68 da curva indicada por 82 do outro subsistema. O processo (b-c) é adiabático de expansão, ocorre simultaneamente com o processo (4-1 ), também adiabático, porém de compressão, no processo (b-c) ocorre a transferência de calor (energia) do gás do motor para o eixo, transformando-se em energia cinética, simultaneamente no processo (4-1 ) ocorre a transferência da energia cinética para o gás do motor recebida do eixo, também num processo adiabático, simultaneamente ainda, durante os processos adiabáticos do ciclo do motor, ocorre a transferência de massa, saindo ( nl - n2) mol de gás no processo adiabático de expansão (b-c), para o outro subsistema, durante o processo adiabático de compressão (4-1 ). Os processos (2-3) β (d-a) sáo idênticos aos processos (b-c) e (4-1 ). O processo (c-d) é isobárico de baixa temperatura e ocorre simultaneamente ao processo (1 -2), isobárico de alta temperatura. O processo (d-a) é adiabático de compressão, com incremento de massa e ocorre simultaneamente ao processo (2-3), adiabático de expansão, com redução de massa, finalizando assim o ciclo termodinâmico com oito processos do motor, sempre dois simultâneos, a soma da massa de gás de trabalho dos dois subsistemas que formam o motor é sempre constante.
[045] Nas câmaras de conversão do motor, os processos isobáricos do ciclo do motor (1-2), (a-b), (3-4) e (c-d) são realizados com o gás confinado em uma geometria caracterizada por uma inércia térmica em que o gás tenha uma taxa de variação da temperatura tai que o mesmo tende a equalizar com os elementos quentes ou frios apenas no fina! destes processos, fazendo que a pressão fique relativamente estável, isto é, isobárica. Esta geometria deve ser caracterizada por uma profundidade não muito pequena para a penetração do calor no gás, ou por um deslocamento do gás entre os elementos quentes e frios não muito rápido de forma a produzir urna taxa de variação da temperatura em todo o processo isobárico fazendo com que a pressão tenha um comportamento constante. Os processos adiabáticos do ciclo do motor (2- 3) e (b-c) são realizados com o gás em uma região isolada termicamente do motor, e neste processo o gás cie trabalho sofrerá uma expansão transferindo a energia do gás para os elementos mecânicos do motor, armazenando a energia em forma de energia cinética e nos processos adiabáticos de compressão do ciclo do motor (4-1 ) e (d-a) são realizados também com o gás em uma região isolada termicamente, e neste processo os elementos mecânicos do motor por compressão, transferem a energia cinética de volta para o gás do motor, elevando sua temperatura, concluindo o processo.
[046] A tabela 1 mostra processo por processo que formam o ciclo diferencia! de oito processos do motor térmico mostrados passo a passo, com quatro processos isobáricos, quatro processos adiabáticos e etapas de transferência de massa.
Tabela 1
Figure imgf000021_0001
[047] Este ciclo diferencial de um motor composto por dois subsistemas baseado no conceito de sistema híbrido ou binário, cuja curva da pressão e do volume é indicado na figura 12, possui oito processos, dois processos isobáricos de alta temperatura de entrada de energia no sistema, mostrado por 67, curvas (1 -2) e (a-b) são representadas peias expressões (d) e (e), dois processos isobáricos de baixa temperatura de descarte da energia não utiiizada, mostrada por 88, curvas (3-4) e (c-d) representados peias expressões (!) e (g), a energia interna do gás no ponto (2) do processo (1 -2) é representado pela expressão (h), a energia interna do gás no ponto (b) do processo (a-b) é representado peia expressão (i), a energia transferida com a massa de gás a partir do ponto (2) do processo (1-2) é representado pela expressão (j). a energia transferida com a massa de gás a partir do ponto (b) do processo (a-b) é representado pe!a expressão (k), o processo de expansão adiabático (2-3) é representado pela expressão (i), o processo de expansão adiabático (b-c) é representado pela expressão (m), a energia interna no gás no ponto (3) é a resultante da energia do ponto (2) após a transferência de massa e da expansão adiabática, representada peia expressão (n), a energia interna no gás no ponto (c) é a resultante da energia do ponto (b) após a transferência de massa e da expansão adiabática, representada pela expressão (o), a energia interna do gás no ponto (4) do processo (3-4) é representado pela expressão (p), a energia interna do gás no ponto (d) do processo (c-d) é representado pela expressão (q), a energia interna no gás no ponto (1) é a resultante da energia do ponto (4) após a introdução da massa e da compressão adiabática, representada pela expressão (r), a energia interna no gás no ponto (a) é a resultante da energia do ponto (d) após a introdução da massa e da compressão adiabática, representada pela expressão (s). As expressões consideram o sina! do sentido do fluxo das energias.
Figure imgf000022_0001
Figure imgf000023_0004
[048] Considerando que (Tl - Ta) e (72 = 7b), o total de energia de entrada no motor é a soma das energias
Figure imgf000023_0005
é representada pela expressão (!) abaixo.
Figure imgf000023_0001
[049] Considerando que (73 = 7c) e { T4 ~ Td), o total de energia descartada para o meio exterior é a soma das energias e na sua forma
Figure imgf000023_0003
positiva, é representada pela expressão (u) abaixo.
Figure imgf000023_0002
[050] O trabalho útil total do motor, considerando um modelo ideai sem perdas, é a diferença entre a entrada e a saída da energia e é representado peia expressão (v) abaixo.
Figure imgf000024_0001
[051] Os processos adiabâticos de expansão e de compressão, mostrados pelas expressões (h) até (s) são iguais, a energia é transferida no processo de expansão e recuperada no processo de compressão, isto é, a energia nos processos adiabâticos se conservam nos subsistemas.
[052] A demonstração final teórica da eficiência do cicio diferencia! de oito processos, quatro processos isobáricos, quatro processos adiabâticos com transferência de massa é dada pela expressão (x), caracterizando que os cicios diferenciais baseados no sistema termodinâmico híbrido ou binário possuem como parâmetro da eficiência, também o número de moíes ou massa nos processos e, portanto estes cicios não possuem suas eficiências dependentes exclusivamente das temperaturas.
Figure imgf000024_0002
EXEMPLOS DE APLICAÇÕES
[053] Os motores de cicio diferenciais baseados no sistema híbrido ou binário operam com calor, não exigem combustão, embora possa ser utilizada, não exige queima de combustíveis, embora possa ser utilizada, portanto podem operar em ambientes com ou sem atmosfera. O ciclo termodinâmico não exige troca de fase física do gás de trabalho. Peias suas propriedades expostas nesta descrição, os motores de ciclo diferenciais podem ser projetados para operar em uma larga faixa de temperatura, superiores à maioria dos cicios motores existentes baseados nos sistema aberto ou fechado. Os motores de ciclo diferenciais são totalmente flexíveis quanto á fonte da energia (calor), na figura 13 é mostrado uma aplicação para o emprego do motor de cicio diferencial para a geração de energia a partir de fontes geotermais. A figura 13 mostra um sistema de transferência de calor do solo 76 para um coletor 74, formado basicamente por uma bomba 77 que injefa um fluido, normalmente água, pelo duto 73. O caíor no coletor 74 é transferido para o motor de ciclo diferencial 71 , o qual descarta parte da energia para o meio externo através do trocador de calor 75 e converte outra parte da energia em trabalho, operando um gerador 72 o qual produz eletricidade.
[054] A figura 14 mostra outra aplicação útil para o motor de ciclo diferencial para a produção de energia a partir do calor do sol. Os raios solares são coletados através do concentrador 83, a energia (caior) é transferida para o elemento 84 o qual direciona o calor para o motor de ciclo diferencial 81 , este converte parte da energia em trabalho útil para operar um gerador de eletricidade, 82, parte da energia é descartada ao meio externo através do trocador 85.
[055] A figura 15 mostra outra aplicação útil para o motor de ciclo diferencial para melhorar a eficiência de motores de combustão interna, formando ciclos combinados com estes. O calor rejeitado pelas exaustões, 96, dos motores de combustão interna, indicado por 92, alimentados por combustíveis, 97, de ciclo Brayton, ciclo Diesel, ciclo Sabathe, ciclo Otto, ciclo Atkinson, são canalizados para a entrada de energia (calor) do motor de ciclo diferenciai, 91 , através de um trocador 93, promovendo um fluxo de calor, 91 1 , do motor de combustão interna, 92. em direção ao motor de ciclo diferencial 91 e este converte parte desta energia em força mecânica útil, 913 que pode ser integrada á força mecânica do motor de combustão interna, 912 gerando uma força mecânica única, 98, ou direcíonada a produzir energia elétrica. O descarte da energia não convertida pelo motor de ciclo diferencial segue para o meio externo indicado por 910. Esta aplicação permite recuperar parte da energia que os ciclos dos motores de combustão interna não podem utilizar para a realização de trabalho útil e assim melhorar a eficiência gera! do sistema.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1 ) "MOTOR TÉRMICO", caracterizado por ser composto por dois subsistemas termodinâmicos, (31) e (37), configurando um sistema termodinâmico binário ou híbrido, onde cada subsistema é formado por uma câmara, (33) e (35), contendo gás de trabalho e cada uma destas duas câmaras são formadas por três subcâmaras, uma aquecida, (33 com 39) e (35 com 42), uma resfriada, (33 com 41) e (35 com 310), e outra isolada, (33 com 32) e (35 com 36), conectado a estas duas câmaras há um elemento de força motriz, (38), entre os subsistemas há um elemento de transferência de massa, (34), estes dois subsistemas executam simultaneamente cada um deles, um cicio de quatro processos interdependentes formando um ciclo termodinâmico diferencial, (61), único, de oito processos, sendo quatro deles isobáricos, (a-b), (1-2), (c- d) e (3-4), quatro adíabáticos, (b-c), (2-3), (d-a) e (4-1), com transferência de massa variável.
2) "MOTOR TÉRMICO", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser composto por duas câmaras, (33 e 35), cada câmara é dividida em três subcâmaras, uma subcâmara aquecida, (33 com 39) e (35 com 42), uma subcâmara resfriada, (33 com 41 ) e (35 com 310), e uma subcâmara isolada termicamente, (33 com 32) e (35 com 36), formando cada câmara, um subsistema, (31 e 37), e a junção destes dois subsistemas formam um sistema termodinâmico binário ou híbrido.
3) "MOTOR TÉRMICO", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por possuir um elemento de força motriz, (33), conectado às duas câmaras de conversão termodinâmicas, (33 e 35).
4) "MOTOR TÉRMICO", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por possuir um elemento de transferência de massa do gás de trabalho, (34), entre as câmaras.
5) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO", para o controle do ciclo termodinâmico do motor térmico das reivindicações 1 a 4, caracterizado por um processo executado pelo sistema binário ou híbrido formando um ciclo termodinâmico diferencial de oito processos termodinâmicos do motor, (81 ), sendo dois isobáricos de aíta temperatura, (a-b) e (1 -2), dois isobáricos de baixa temperatura, (c~d) e (3-4), dois adiafaáticos de expansão com transferência de massa, (b-c) e (2-3) e dois adiabáticos de compressão com recebimento de massa, (d-a) e (4-1 ).
6) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO", de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por possuir um processo isobárico de alta temperatura, (a-b), em um dos subsistemas o qual é executado simultaneamente a outro processo isobárico de baixa temperatura, (3-4), no outro subsistema e um processo isobárico de baixa temperatura, (c-d) no primeiro subsistema que é executado simultaneamente a outro processo isobárico de alta temperatura, (1-2), no segundo subsistema, compondo os quatro processos isobáricos do ciclo.
7) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO", de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por possuir um processo adiabático de expansão (b~c) e transferência de massa (66), em um dos subsistemas o qual é executado simultaneamente a outro processo adiabático, (4-1 ), no segundo subsistema, sendo este segundo processo, de compressão por meio da energia cinética armazenada no processo adiabático de expansão e este processo recebe a massa do processo adiabático de expansão, e um processo adiabático de compressão, com aumento de massa, (d-a), no primeiro subsistema, simultaneamente a um processo adiabático de expansão e transferência de massa, (2-3), do segundo subsistema, compondo os quatro processos adiabáticos do ciclo.
8) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO", de acordo com as reivindicações 5, 6 e 7, caracterizado por possuir no ciclo termodinâmico, durante os processos adiabáticos, a transferência de parte da massa, (66), de um dos subsistemas o qual estaria executando o processo adiabático de expansão para o outro subsistema o qual estaria executando o processo adiabático de compressão.
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