BR102016019875B1 - DIFFERENTIAL CYCLE THERMAL ENGINE COMPOSED OF FOUR ISOTHERMAL PROCESSES, FOUR ISOCORIC PROCESSES WITH ACTIVE REGENERATOR AND CONTROL PROCESS FOR THE THERMODYNAMIC CYCLE OF THE THERMAL ENGINE - Google Patents

DIFFERENTIAL CYCLE THERMAL ENGINE COMPOSED OF FOUR ISOTHERMAL PROCESSES, FOUR ISOCORIC PROCESSES WITH ACTIVE REGENERATOR AND CONTROL PROCESS FOR THE THERMODYNAMIC CYCLE OF THE THERMAL ENGINE Download PDF

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Abstract

motor térmico de ciclo diferencial composto por quatro processos isotérmicos, quatro processos isocóricos com regenerador ativo e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor térmico. 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 "isotérmicos" e quatro "isocóricos" com transferência de massa variável, podendo esta ser nula ou parcial.differential cycle thermal engine composed of four isothermal processes, four isochoric processes with active regenerator and control process for the thermodynamic cycle of the thermal engine. The present invention refers to a heat engine and its thermodynamic cycle of eight processes, more specifically it is a heat engine characterized by two interconnected thermodynamic subsystems, each one operates a thermodynamic cycle of four processes, however interdependent on each other, forming a complex cycle of eight processes, operates with gas, the circuit of this binary system is closed in a differential configuration, based on the concept of a hybrid thermodynamic system or can also be called a binary thermodynamic system, this system carries out a thermodynamic cycle composed of eight processes of in a way that it executes, at any time in the cycle, two simultaneous and interdependent, complementary processes, four of which are "isothermal" and four "isochoric" processes with variable mass transfer, which may be null or partial.

Description

CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃOTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

[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 é fechado em configuração diferencial, baseado no conceito de sistema termodinâmico híbrido, 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 “isotérmicos” e quatro “isocóricos” com transferência de massa variável, podendo esta ser nula ou parcial.[001] The present invention refers to a heat engine and its thermodynamic cycle of eight processes, more specifically it is a heat engine characterized by two interconnected thermodynamic subsystems, each one operates a thermodynamic cycle of four processes, but interdependent between itself, forming a complex cycle of eight processes, operates with gas, the circuit of this system is closed in a differential configuration, based on the concept of a hybrid thermodynamic system, this system carries out a thermodynamic cycle composed of eight processes so that it executes in any moment of the cycle, two simultaneous and interdependent, complementary processes, four of these processes being “isothermal” and four “isochoric” with variable mass transfer, which may be null or partial.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃOBACKGROUND OF THE INVENTION

[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 XIX nos primórdios da criação das leis da termodinâmica e fundamentam todos os ciclos motores conhecidos até o presente.[002] Classical 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 19th century at the beginning of the creation of the laws of thermodynamics and underlie all motor cycles known to date.

[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.[003] The isolated thermodynamic system is defined as a system in which neither matter nor energy passes through it. Therefore, this thermodynamic system concept does not offer properties that allow the development of engines.

[004] O sistema termodinâmico aberto é definido como 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 Diesel, de ciclo Sabathe, semelhante ao ciclo Diesel, 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 oxigênio 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.[004] The open thermodynamic system is defined as a thermodynamic system in which energy and matter can enter and leave this system. Examples of an open thermodynamic system are internal combustion engines, the Otto cycle, the Atkinson cycle, similar to the Otto cycle, the Diesel cycle, the Sabathe cycle, similar to the Diesel cycle, the Brayton cycle with internal combustion, the Rankine cycle with exhaust 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 exhaust from combustion or the working fluid, gases, waste, the energy that comes out of these systems is the mechanical work energy and part of the heat dissipated.

[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 Stirling, de ciclo Ericsson, de ciclo Rankine com fluido de trabalho 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 sai matéria destes sistemas, como ocorrem no sistema aberto.[005] The closed thermodynamic system is defined as a thermodynamic system in which only energy can enter and leave this system. Examples of a closed thermodynamic system are external combustion engines such as the Stirling cycle, the Ericsson cycle, the Rankine cycle with working fluid in a closed circuit, the Brayton heat cycle or external combustion, the Carnot cycle. The energy that enters this system is heat. The energy that comes out of this system is the mechanical work energy and part of the heat dissipated, but no matter leaves these systems, as occurs in the open system.

[006] Ambos os sistemas, aberto e fechado, como entrada eles possuem no tempo (t1) 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 (n1), 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.[006] Both systems, open and closed, as input they have at time (t1) the temperature (Tq), mass (m1) and the number of moles (n1) and at the exit, at time (t2), both have the temperature (Tf), the mass (m1) and the number of moles (n1), the mass is constant, the difference between them is that in the open system the mass (m1) crosses the system and in the closed system, the mass (m1) remains in the system, as shown in figure 1.

ESTADO ATUAL DA TÉCNICACURRENT STATE OF THE TECHNIQUE

[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, como pode ser observado no gráfico pressão/volume na figura 2. Assim são os motores de ciclo Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Brayton, Rankine, Stirling, Ericsson e o ciclo teórico ideal de Carnot.[007] The engines known to date are based on open thermodynamic systems or closed thermodynamic systems, they have their 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 in the pressure/volume graph in figure 2. These are the Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Brayton, Rankine, Stirling, Ericsson cycle engines and the ideal theoretical Carnot cycle.

[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) [008] The internal energy of the working gas of engines based on open and closed systems is not constant during their cycle, the equation that represents the internal energy is indicated in equation (a)

[009] Na equação (a), (U) representa a energia interna em “Joule”, (n) representa o número de mol, (R) representa a constante universal dos gases perfeitos, (T) representa a temperatura do gás em “Kelvin” e (ç) representa o coeficiente de expansão adiabática.[009] In equation (a), (U) represents the internal energy in “Joule”, (n) represents the number of moles, (R) represents the universal constant of perfect gases, (T) represents the temperature of the gas in “Kelvin” and (ç) represents the adiabatic expansion coefficient.

[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 mol (n) pela temperatura (T), (n.T) não é constante durante o ciclo, pois a temperatura (T) é uma variável nos processos e o número de mol (n) é uma constante nos processos.[010] As only one process always occurs at a time in engines designed with the concept of open or closed system, the internal energy varies with time, since the product: number of moles (n) by temperature (T), ( n.T) is not constant during the cycle, as the temperature (T) is a variable in the processes and the number of moles (n) is a constant in the processes.

[011] 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 são controlados pela alimentação direta. Por exemplo, nos motores de combustão interna, Otto, Diesel, Brayton, para se obter maior potência injeta-se mais combustível, mais oxigênio e assim se produz mais trabalho, mais rotação. Para se obter maior potência com rotação constante, normalmente utilizam-se caixas de redução ou transformação de rotação. Por analogia, tais tecnologias podem ser comparadas na eletricidade a motores de corrente contínua, estes, para aumentar a potência, aumenta-se a tensão de alimentação do motor.[011] The current state of the art that characterizes all engines is also characterized by the property where the output of the process, work, is a direct consequence of the input of energy, heat or combustion, that is, when more work is needed, If more heat is injected or more combustion is promoted, all processes that form the engine cycle are equally influenced, in other words, the engines are controlled by direct power supply. For example, in internal combustion engines, Otto, Diesel, Brayton, to obtain greater power, more fuel and more oxygen are injected and thus more work is produced, more rotation. To obtain greater power with constant rotation, reduction or rotation transformation boxes are normally used. By analogy, such technologies can be compared in electricity to direct current motors, which, to increase power, increase the motor's supply voltage.

[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 oxigênio e uma centelha ou combustão por pressão, desta forma um motor auxiliar de partida, normalmente elétrico, 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.[012] The current state of the art comprises a series of internal combustion and external combustion engines, most of these engines require a second auxiliary engine to start them up. Internal combustion engines require compression, mixing of fuel with oxygen and a spark or pressure combustion, so an auxiliary starting engine, usually electric, is used. External combustion engines, such as the Stirling or Ericsson cycle engines, in turn, also require auxiliary and high-power engines, as they need to overcome the resting state under pressure to start operating. An exception is the Rankine cycle engine, which can start via valve control to supply steam pressure to the driving force elements.

[013] O atual 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, oxigênio 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 ou o Stirling, também de combustão externa, estes são mais flexíveis quanto a fonte.[013] The current state of the art comprises a series of engines, most of them, dependent on very specific and special conditions to operate, for example, internal combustion engines, each of which requires its specific fuel, fine fuel control, oxygen and combustion time and in some cases require specific conditions including pressure, flexibility in the fuel is very limited. In this category, of the engines based on open and closed systems, the most flexible engine is the Rankine cycle engine, with external combustion or the Stirling, also with external combustion, these are more flexible in terms of source.

[014] O atual 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 oxigênio.[014] The current state of the art comprises a series of cycle engines, most of which require combustion, that is, the burning of some type of fuel, and, therefore, the need for oxygen.

[015] O estado atual 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 oC. 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 oC e 800 oC. 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 pela equação (b). [015] The current state of the art comprises a series of engine cycles, most of which require high temperatures for operation, especially those with internal combustion, usually operate with working gas at temperatures above 1500 oC. External combustion engines or those operated by external heat sources, such as Rankine and Stirling cycles, are normally designed to operate with working gas temperatures between 400 oC and 800 oC. In addition to engines based on open and closed systems most of the time requiring 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).

[016] Na equação (b), (y) é o rendimento, (Tf) é a temperatura da fonte fria e (Tq) é a temperatura da fonte quente, ambas em “Kelvin”.[016] In equation (b), (y) is the yield, (Tf) is the temperature of the cold source and (Tq) is the temperature of the hot source, both in “Kelvin”.

[017] O estado atual da técnica, baseado nos sistemas aberto e fechado, compreende basicamente seis ciclos motores e algumas versões destes: o ciclo Otto, 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 Stirling, de ciclo Ericsson e o de ciclo Carnot, referência teórica ideal para os motores fundamentados nos sistema aberto e fechado. As últimas 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, unindo-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.[017] The current state of the art, based on open and closed systems, basically comprises six engine cycles and some versions of these: the Otto cycle, the Atkinson cycle, similar to the Otto cycle, the Diesel cycle, the Sabathe cycle, similar to the Diesel, Brayton cycle, Rankine cycle, Stirling cycle, Ericsson cycle and Carnot cycle, ideal theoretical reference for engines based on open and closed systems. The latest developments in the current state of the art have been presented through innovations combining more than one old cycle to form combined cycles, that is: new engine systems composed of a Brayton cycle machine operating with fossil fuels, gas or oil and a Rankine cycle machine dependent on the heat rejected by the Brayton cycle machine. Or the same philosophy, combining a Diesel cycle engine with a Rankine cycle engine or even an Otto cycle engine, also combining it with a Rankine cycle engine.

[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- ambiente, isto é, são caracterizados pela não sustentabilidade. O sistema termodinâmico sob os quais estes motores são projetados traz como limitação de eficiência o teorema de Carnot o qual, em função de seu princípio, impõe o limite da eficiência como função direta e exclusiva das temperaturas, conforme equação (b).[018] The current state of the art presents a series of limitations and also offers a series of problems. Most engines, such as internal combustion, Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe and Brayton cycle engines, require specific fuels for each concept, for example: gasoline, diesel oil, gas, kerosene, coal, and high calorific value, They need to work at high temperatures and consequently, for many years, they have been dependent on fossil fuels, causing serious damage to the climate and the environment, that is, they are characterized by non-sustainability. The thermodynamic system under which these engines are designed has Carnot's theorem as an efficiency limitation which, due to its principle, imposes the efficiency limit as a direct and exclusive function of temperatures, according to equation (b).

[019] A maioria dos motores da atualidade 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.[019] Most of today's engines require refined and polluting fuels with harmful effects on the climate and the environment and, therefore, compromise sustainability. One of the most recent technologies developed to minimize the impact was the joining of two old engine concepts, the Brayton cycle engine and the Rankine cycle engine, forming a system composed of two combined cycles, in such a way that the waste heat of the first machine is used by the second machine to improve the efficiency of the set, however the use of fossil fuels and their effects remain. The combined cycle continues to be characterized by an engine under the open system concept and an engine under the closed system concept, independent, that is, it is classified as a combined system, two completely independent cycles, it is not characterized as a hybrid system.

[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.[020] The other engines, Stirling and Ericsson cycles, are engines under the closed system concept, they are external combustion or external heat sources. Due to their properties, although they have the simplest engine concepts, they are difficult to build. They require matched project parameters, that is, they work well, with good efficiency, only in their specific operating regime, temperature, pressure, load, outside the central point of operation their efficiencies drop sharply, or they do not operate. Therefore, they are machines that are rarely used for industrial or popular use.

[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.[021] Carnot's ideal engine, figure 3, in turn, although it is considered the ideal engine, most perfect to date, it is so in theory and within the concepts of open and closed system considering all ideal parameters, for This motif remains the reference to this day for all existing engine concepts. The Carnot engine is not found in practical use because real materials do not have the properties required to make the Carnot engine a reality, the physical dimensions so that the Carnot cycle can be executed as in theory, would be unfeasible in a practical case. , therefore it is an ideal Engine in the concepts of open system and closed system, but in the theoretical concept.

[022] O controle de potência, rotação e torque, dos motores existentes, de ciclo Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Brayton, estes de combustão interna, são decorrentes diretamente da alimentação de combustíveis e oxigênio 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 permitem controlabilidade, ou no mínimo, oferecem dificuldades na controlabilidade através de seus ciclos termodinâmicos.[022] The power, rotation and torque control of existing Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Brayton cycle engines, these internal combustion, result directly from the supply of fuel and oxygen and as a result offer greater rotation and torque simultaneously. To separate torque and rotation, they require gearboxes. These machines do not allow controllability, or at least, offer difficulties in controllability through their thermodynamic cycles.

[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.[023] The control of power, rotation and torque of existing Rankine cycle engines, this one with external combustion, are due to the flow and pressure of the steam or working gas, and as a result they offer interdependent variations of rotation and torque simultaneously, there is no separate controllability between torque and rotation.

[024] O controle de potência, rotação e torque, dos motores existentes de ciclo Stirling 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 operacionabilidade. 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.[024] The power, rotation and torque control of existing Stirling and Ericsson cycle engines, these with external combustion, are due to the mass or pressure of the working gas, temperatures, construction geometry, and as a result they offer interdependent variations of rotation and torque simultaneously, there is no separate controllability between torque and rotation. These machines have very narrow operating curves offering low controllability and a narrow range of operability. In these cases, projects that do not work are common because the parameters, in their interdependencies, may not offer the conditions that make the engine work.

[025] O estado atual da técnica, recentemente revelou algumas referências que já se encontram com conceitos semelhantes do sistema híbrido, 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 diferencial 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 são motores fundamentados no sistema termodinâmico aberto de combustão interna, 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 adiabático de compressão, um processo isocórico de combustão, um processo adiabático de expansão e um isocórico de exaustão e o ciclo do motor Diesel é constituído por um processo adiabático de compressão, um processo isobárico de combustão, um processo adiabático de expansão e um processo isocórico 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.[025] The current state of the art has recently revealed some references that already have similar concepts of the hybrid system, they are engines that have characteristics of having two interdependent thermodynamic cycles constituting a complex cycle formed by eight processes, always with two processes operating simultaneously in a system formed by two integrated subsystems. The patent “PI 1000624-9” registered in Brazil defined as “Thermomechanical energy converter” consists of two subsystems that operate through a thermodynamic cycle formed by four isothermal processes and four isochoric processes, without regeneration. The patent “PCT/BR2013/000222” registered in the United States of America defined as “Thermal engine that operates in accordance with the thermodynamic Carnot cycle and control process” which consists of two subsystems and operates in each subsystem, one cycle thermodynamic formed by two isothermal processes of two adiabatic processes. The patent “PCT/BR2014/000381” registered in the United States of America defined as “Differential thermal machine with cycle of eight thermodynamic transformations and control process” which consists of two subsystems and operates a thermodynamic cycle formed by four isothermal processes of four adiabatic processes. These references differ from the present invention in terms of the thermodynamic processes that form their cycles, each cycle offering the engine its own characteristics. The concept of a hybrid or binary thermodynamic system offers the basis for the development of a new family of thermal engines, each engine will have its own characteristics according to the processes and phases that constitute their respective thermodynamic cycles, such as the Otto engine and the Diesel engines are based on the open thermodynamic system of internal combustion, but they constitute distinct engines and what distinguishes them are details of their thermodynamic cycles. The Otto engine cycle is basically constituted by an adiabatic compression process, an isochoric combustion process, a adiabatic expansion process and an isochoric exhaust process and the Diesel engine cycle consists of an adiabatic compression process, an isobaric combustion process, an adiabatic expansion process and an isochoric exhaust process, therefore they differ in only one of the processes that form their cycles, enough to give each one specific and different properties and uses. Likewise, the concept of a hybrid or binary system offers the basis for a new family of thermal engines made up of two subsystems and these will operate with so-called differential cycles formed by processes where two processes will always occur simultaneously, each one will have its own particularities which will characterize each of the motor cycles.

OBJETIVOS DA INVENÇÃOOBJECTIVES OF THE INVENTION

[026] Os grandes problemas do estado da técnica são, portanto, a dificuldade das tecnologias atuais baseados nos sistemas aberto e fechado a atender projetos sustentáveis, em função da dependência de combustíveis fósseis, poluentes, com impactos graves ao ambiente e ao clima, baixa eficiência, limitada exclusivamente às temperaturas, demonstrado pelo teorema de Carnot, baixo nível de controlabilidade 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 (oxigênio) para combustão e muitos deles dependem de um segundo motor para leva-los à operação (um motor de partida).[026] The major problems in the state of the art are, therefore, the difficulty of current technologies based on open and closed systems to meet sustainable projects, due to the dependence on fossil fuels, pollutants, with serious impacts on the environment and climate, low efficiency, limited exclusively to temperatures, demonstrated by Carnot's theorem, low level of controllability due to limitations in the variability of model parameters based on open and closed thermodynamic systems, lack of flexibility regarding energy sources, many require refined and specific fuels , high dependence on air (oxygen) for combustion and many of them depend on a second engine to take them into operation (a starter motor).

[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 ficassem mais dependentes exclusivamente das temperaturas e cujas fontes de energia possam ser diversificadas e que permitisse projeto de motores para ambientes inclusive sem ar (oxigênio). O conceito de sistema híbrido, 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, nos sistemas híbridos 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 isotérmicos, quatro processos isocóricos regenerativos a eficiência é demonstrada conforme apresentado na equação (c) e figura 4. [027] The objective of the invention focuses on eliminating some of the existing problems and minimizing other problems, however the main objective was to develop new motor cycles based on a new concept of thermodynamic system so that the efficiency of the engines would not be reduced. more dependent exclusively on temperatures and whose energy sources can be diversified and which would allow the design of engines for environments including without air (oxygen). The concept of a hybrid system, a specific characteristic that underlies this invention, eliminates the dependence of efficiency exclusively on temperature, the efficiency of any thermal machine depends on its potentials and potential differentials, while open and closed systems generate potentials where the mass of the gas is constant and for this reason they cancel each other out in the equations, in hybrid systems the mass is not necessarily constant, therefore they do not cancel each other and their efficiencies depend on the potentials from which the driving force originates, that is, the pressures. The concept of a hybrid system provides dependent potentials, proportional to the product of the working gas mass and temperature, as in the hybrid system, unlike open and closed systems, the mass is variable, its efficiency becomes a non-exclusive function of temperature , but dependent on mass and for a differential cycle engine composed of four isothermal processes, four isochoric regenerative processes, the efficiency is demonstrated as shown in equation (c) and figure 4.

[028] Na equação (c), (y) é o rendimento, (Tf) é a temperatura da fonte fria, (Tq) é a temperatura da fonte quente ambas 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.[028] In equation (c), (y) is the yield, (Tf) is the temperature of the cold source, (Tq) is the temperature of the hot source both in “Kelvin”, (n1) is the number of moles of the 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.

[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 fluido de trabalho cujos processos não obriguem a troca de fase física, elimina esta obrigatoriedade da dependência de altas temperaturas, O conceito diferencial 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 termossolar, geotermal, 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.[029] The dependence on high temperatures of most engines in the current state of the art also leads to dependence on fuels with high calorific value, making it difficult to use clean sources which normally offer a lower temperature. The concept of differential cycle under the hybrid system , and working fluid whose processes do not require the change of physical phase, eliminates this mandatory dependence on high temperatures, The differential concept where the cycle always operates two processes at a time, (26 and 27) of figure 5, simultaneously and interdependent, enables machines that can operate at low temperatures and consequently, clean renewable sources, such as thermosolar, geothermal, become fully viable and their efficiencies now have the mass, or number of moles, as shown in equation (c), as a parameter to obtain better efficiencies, even with relatively low temperature differentials.

[030] Os principais ciclos termodinâmicos conhecidos, Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Brayton, Stirling, Ericsson, Rankine e o ciclo ideal teórico de 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 direta da alimentação da fonte de energia, por sua vez, os ciclos diferenciais do sistema híbrido, 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.[030] The main known thermodynamic cycles, Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Brayton, Stirling, Ericsson, Rankine and the theoretical ideal Carnot cycle execute a single process at a time sequentially, as shown in figure 2, referenced to the mechanical cycle of driving force elements, their control is a direct function of the energy source supply, in turn, the differential cycles of the hybrid system, execute 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 in this way the mechanical cycle becomes a consequence of the thermodynamic cycle and no longer the opposite.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃODESCRIPTION OF THE INVENTION

[031] Os motores de ciclos diferenciais são caracterizados por possuírem dois subsistemas, formando um sistema híbrido, 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 com propriedades dos sistemas aberto e do fechado simultaneamente, diz-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.[031] Differential cycle engines are characterized by having two subsystems, forming a hybrid system, represented by (21 and 23) in figure 4, each subsystem executes a cycle referenced to the other subsystem in order to always execute two simultaneous and interdependent processes . Otherwise, considering a hybrid system with properties of open and closed systems simultaneously, it is said that the system executes a compound thermodynamic cycle, figure 5, that is, it always executes two simultaneous processes at a time (26 and 27) in figure 5, interdependent, including mass transfer. Therefore, these are completely different engines and cycles from engines and cycles based on open or closed systems. In figure 6, the relationship between the hybrid or binary system and the differential thermodynamic cycle can be seen.

[032] O conceito de sistema termodinâmico híbrido é novo, é caracterizado por motores térmicos onde rodam ciclos diferenciais ou ciclos binários, 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.[032] The concept of a hybrid thermodynamic system is new, it is characterized by thermal engines where differential cycles or binary cycles run, formed by two interdependent subsystems and between them there is an exchange of matter and energy and both supply energy outside their limits. 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 heat engines.

[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 diferencial 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 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 torque por meio do diferencial de forças propiciado pelo 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.[033] The present invention brings important developments for the conversion of thermal energy into mechanical energy, whether for use in power generation or other use, such as mechanical force for movement and traction. Some of the main advantages that can be seen are: total flexibility regarding the source of energy (heat), independence from the atmosphere, it does not require an atmosphere for a differential cycle engine to operate, flexibility regarding temperatures, the Differential cycle can be designed to operate in a very wide range of temperatures, much higher than most engines based on open and closed systems, in fact, a differential cycle engine can be designed to operate with both temperatures below zero degrees Celsius, it is enough that the design conditions promote the expansion and contraction of the working gas and it is enough that the materials chosen for its construction have the properties to perform their operational functions at the design temperatures. Other important advantages that distinguish the differential cycle engine based on the hybrid system is its controllability due to the ease in modulating thermodynamic processes and in engine designs that do not require the use of starter motors, or at least, these would be small. , due to the ease of generating torque through the force differential provided by the system formed by two conversion chambers, that is, two subsystems. Therefore, the advantages found include the flexibility of the sources, promoting the use of clean and renewable sources as operational advantages, being able to operate theoretically in any temperature range and its ability to control rotation and torque.

[034] O motor de ciclo diferencial baseado no conceito de sistema híbrido mostrado pelas figuras 7 a 13, 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, 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 (317) e (35) com (42), uma resfriada (33) com (41) e (35) com (318), e outra isolada (33) com (32) e (35) com (36), conectado a estas duas câmaras há um elemento de força motriz, (312), cada subsistema possui um regenerador ativo (310) e (314), 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 (82), único, de oito processos, sendo quatro deles isotérmicos, (a-b), (1-2), (c-d) e (3-4), quatro isocóricos, (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, são 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, hidrogênio, nitrogênio, ar seco, neon, entre outros.[034] The differential cycle engine based on the hybrid system concept shown in figures 7 to 13, can be built with materials and techniques similar to conventional engines and Stirling cycle engines, as it is an engine that works with gas in a circuit closed, considering the complete system, that is, the complete system is formed by two integrated thermodynamic subsystems (31) and (37), configuring a binary thermodynamic system, each subsystem is formed by a chamber (33) and (35), containing working gas and each of these, are formed by three subchambers, one heated (33) with (317) and (35) with (42), one cooled (33) with (41) and (35) with (318), and another isolated (33) with (32) and (35) with (36), connected to these two chambers there is a driving force element, (312), each subsystem has an active regenerator (310) and (314), between the subsystems there is an element of mass transfer (34), therefore the subsystems are open to each other, between the complete system and the external environment, it is considered closed, these two subsystems simultaneously execute each one of them, a cycle of four interdependent processes forming a unique differential thermodynamic cycle (82) of eight processes, four of which are isothermal, (a-b), (1-2), (c-d) and (3-4), four are isochoric, (b-c), (2-3 ), (d-a) and (4-1), with variable mass transfer. This concept of a closed working gas circuit in relation to the external environment indicates that the system must be sealed, or in some cases, leaks can be admitted, as long as they are compensated. Suitable materials for this technology should be noted, they are similar, in this aspect, to Stirling cycle engine design technologies. The working gas depends on the project, its application and the parameters used, the gas may be different, each one will provide specific characteristics, as an example the gases can be suggested: helium, hydrogen, nitrogen, dry air, neon, among others.

[035] As câmaras de conversão, itens que caracterizam o sistema híbrido, 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 si para minimizar o fluxo 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 subcâmaras 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 subcâmaras.[035] The conversion chambers, items that characterize the hybrid system, may be built with different materials, depending on the design temperatures, the working gas used, the pressures involved, the environment and operating conditions. These chambers each have three subchambers and these must be designed observing the requirement for thermal insulation between them to minimize the flow of energy from hot to cold areas, this condition is important for the overall efficiency of the system. These chambers have internal elements that move the working gas between the hot, cold, and isolated subchambers. These elements can be of different geometric shapes, depending on the requirement and project parameters, they could, for example, be in the form of discs, in a cylindrical shape or other that allows the movement of the working gas in a controlled manner between the subchambers.

[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 específico durante os processos isocóricos. Este elemento poderá ser projetado de várias formas dependendo das exigências do projeto, poderá operar pela simples diferença de pressão, isto é em forma de válvula, ou poderá 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.[036] The mass transfer element (34) connects the two chambers (33) and (35), this element is responsible for transferring part of the working gas mass between the chambers that occurs at a specific moment during the isochoric processes. This element can be designed in various ways depending on the project requirements, it can operate by simple pressure difference, that is, in the form of a valve, or it can operate in a forced way, for example, in the form of a turbine, in the form of pistons or in another geometric shape that allows it to perform the mass transfer of part of the working gas.

[037] Os regeneradores ativos (310) e (314), operam com um gás de trabalho específico e este gás armazena a energia do gás do motor durante os processos isocóricos de abaixamento de temperatura através da expansão interna (89), e regenera (84), isto é, devolve esta energia para o gás do motor durante os processos isocóricos de elevação da temperatura através da compressão. Este regenerador é chamado de regenerador ativo por realizar o seu processo de regeneração dinamicamente através de elementos mecânicos móveis e de um gás de trabalho próprio, diferentemente dos regeneradores conhecidos, passivos, os quais operam através de troca térmica entre o gás e um elemento estático, operante por condução de calor entre o gás o seu corpo.[037] The active regenerators (310) and (314) operate with a specific working gas and this gas stores the energy of the engine gas during the isochoric temperature lowering processes through internal expansion (89), and regenerates ( 84), that is, it returns this energy to the engine gas during the isochoric processes of temperature elevation through compression. This regenerator is called an active regenerator because it carries out its regeneration process dynamically through mobile mechanical elements and its own working gas, unlike the known passive regenerators, which operate through thermal exchange between the gas and a static element, operating by heat conduction between the gas and your body.

[038] O elemento de força motriz (312), 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 de pistões com cilindro, bielas, virabrequins, em forma de diafragma ou em outra forma que permita a realização de trabalho a partir das forças do gás durante as conversões termodinâmicas.[038] The driving force element (312) is responsible for performing the mechanical work and making it available for use. This driving force element operates by the forces of the engine's working gas. This element can be designed in various ways, depending on the design requirements, it can, for example, be in the form of a turbine, in the form of pistons with cylinders, connecting rods, crankshafts, in the form of a diaphragm or in another form that allows work to be done from gas forces during thermodynamic conversions.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃODESCRIPTION OF THE INVENTION

[039] As figuras anexas demonstram as principais características e propriedades dos conceitos antigos das máquinas térmicas e as inovações propostas baseadas no sistema híbrido, as quais estão assim relacionadas: 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 original da máquina térmica de Carnot, conceituada em 1824 por Nicolas Sadi Carnot; A figura 4 representa o conceito de sistema termodinâmico híbrido; A figura 5 representa a característica dos ciclos termodinâmicos diferenciais fundamentados no sistema híbrido; A figura 6 mostra o sistema termodinâmico híbrido 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 e seu regenerador ativo; A figura 8 mostra o motor indicando a fase em que um dos regeneradores, elemento (310), equaliza a sua temperatura à temperatura da fonte quente; A figura 9 mostra o motor indicando a fase em que o segundo regenerador, elemento (314), equaliza a sua temperatura à temperatura da fonte quente; A figura 10 mostra um dos subsistemas, grupo (31), realizando o processo isotérmico de alta temperatura do ciclo termodinâmico e o segundo subsistema, grupo (37), realizando o processo isotérmico de baixa temperatura do ciclo termodinâmico; A figura 11 mostra um dos subsistemas, grupo (31), realizando o processo isocórico de abaixamento da temperatura, do ciclo termodinâmico e o segundo subsistema, grupo (37), realizando o processo isocórico de levantamento da temperatura do ciclo termodinâmico; A figura 12, mostra por sua vez, o primeiro subsistema, grupo (31), realizando o seu processo isotérmico de baixa temperatura do ciclo termodinâmico e o segundo subsistema, grupo (37), realizando o processo isotérmico de alta temperatura do ciclo termodinâmico; A figura 13 mostra primeiro subsistema, grupo (31), realizando o processo isocórico de levantamento da temperatura, do ciclo termodinâmico e o segundo subsistema, grupo (37), realizando o processo isocórico de abaixamento da temperatura do ciclo termodinâmico; A figura 14 mostra o ciclo termodinâmico ideal do regenerador ativo; A figura 15 mostra o detalhe do ciclo termodinâmico de um dos subsistemas e o ciclo termodinâmico no processo de transferência de calor para o seu respectivo regenerador ativo; A figura 16 mostra o detalhe do ciclo termodinâmico de um dos subsistemas e o ciclo termodinâmico no processo de regeneração do calor por parte de seu respectivo regenerador ativo; A figura 17 mostra o ciclo termodinâmico diferencial ideal composto por dois processos isotérmicos de alta temperatura, dois processos isotérmicos de baixa temperatura dois processos isocóricos de abaixamento de temperatura, transferência de calor, dois processos isocóricos de elevação de temperatura, regeneração de calor, e os processos termodinâmicos do regenerador ativo; A figura 18 mostra um exemplo de aplicação do motor para uma planta geradora de eletricidade tendo como fonte primária a energia geotermal; A figura 19 mostra um exemplo de aplicação do motor para uma planta geradora de eletricidade tendo como fonte primária a energia termossolar.[039] The attached figures demonstrate the main characteristics and properties of the old concepts of thermal machines and the proposed innovations based on the hybrid system, which are related as follows: Figure 1 represents the concept of an open thermodynamic system and the concept of a closed thermodynamic system ; Figure 2 represents the characteristics of all thermodynamic cycles based on open and closed systems; Figure 3 shows the original idea of Carnot's thermal engine, conceptualized in 1824 by Nicolas Sadi Carnot; Figure 4 represents the concept of a hybrid thermodynamic system; Figure 5 represents the characteristic of the differential thermodynamic cycles based on the hybrid system; Figure 6 shows the hybrid thermodynamic system and a differential thermodynamic cycle and the detail of the two thermodynamic processes that occur simultaneously; Figure 7 shows the mechanical model consisting of the two thermodynamic subsystems that form a thermal engine under the concept of a hybrid system and its active regenerator; Figure 8 shows the engine indicating the phase in which one of the regenerators, element (310), equalizes its temperature to the temperature of the hot source; Figure 9 shows the engine indicating the phase in which the second regenerator, element (314), equalizes its temperature to the temperature of the hot source; Figure 10 shows one of the subsystems, group (31), carrying out the high-temperature isothermal process of the thermodynamic cycle and the second subsystem, group (37), carrying out the low-temperature isothermal process of the thermodynamic cycle; Figure 11 shows one of the subsystems, group (31), carrying out the isochoric process of lowering the temperature of the thermodynamic cycle and the second subsystem, group (37), carrying out the isochoric process of raising the temperature of the thermodynamic cycle; Figure 12, in turn, shows the first subsystem, group (31), carrying out its low-temperature isothermal process of the thermodynamic cycle and the second subsystem, group (37), carrying out the high-temperature isothermal process of the thermodynamic cycle; Figure 13 shows the first subsystem, group (31), carrying out the isochoric process of raising the temperature of the thermodynamic cycle and the second subsystem, group (37), carrying out the isochoric process of lowering the temperature of the thermodynamic cycle; Figure 14 shows the ideal thermodynamic cycle of the active regenerator; Figure 15 shows the detail of the thermodynamic cycle of one of the subsystems and the thermodynamic cycle in the heat transfer process for its respective active regenerator; Figure 16 shows the detail of the thermodynamic cycle of one of the subsystems and the thermodynamic cycle in the heat regeneration process by its respective active regenerator; Figure 17 shows the ideal differential thermodynamic cycle composed of two high-temperature isothermal processes, two low-temperature isothermal processes, two isochoric temperature-lowering processes, heat transfer, two isochoric temperature-raising processes, heat regeneration, and the active regenerator thermodynamic processes; Figure 18 shows an example of the engine application for an electricity generating plant with geothermal energy as its primary source; Figure 19 shows an example of the engine application for an electricity generating plant with thermosolar energy as its primary source.

DESCRIÇÃO DETALHADA DO INVENTODETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[040] O motor de ciclo diferencial constituído por dois processos isotérmicos de alta temperatura, dois processos isotérmicos de baixa temperatura, dois processos isocóricos de transferência de calor, dois processos isocóricos de regeneração de calor com regenerador ativo é fundamentado em um sistema termodinâmico híbrido, 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, composto por dois subsistemas indicados por (21) e (23).[040] The differential cycle engine consisting of two high-temperature isothermal processes, two low-temperature isothermal processes, two isochoric heat transfer processes, two isochoric heat regeneration processes with active regenerator is based on a hybrid thermodynamic system, as it has two interdependent thermodynamic subsystems which each perform a thermodynamic cycle that interact with each other, being able to exchange heat, work and mass as represented in figure 4. In (22), in figure 4, the hybrid system is shown, composed of two subsystems indicated by (21) and (23).

[041] Na figura 6 é mostrado novamente o sistema termodinâmico híbrido e o ciclo termodinâmico diferencial, detalhando, neste caso os processos isotérmicos, que quando em um dos subsistemas, no tempo (t1) o ciclo opera com massa (m1), 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, 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] Figure 6 shows again the hybrid thermodynamic system and the differential thermodynamic cycle, detailing, in this case, the isothermal processes, which when in one of the subsystems, at time (t1) the cycle operates with mass (m1), number of mol (n1) and temperature (Tq), at the same moment, simultaneously, in the other subsystem, the cycle operates with mass (m2), number of mol (n2), temperature (Tf). In a machine based on a hybrid system, composed of two subsystems, the sum of the working gas mass is always constant (m1 + m2 = cte), but they are not necessarily constant in their respective subsystems, there may be an exchange of mass between them. .

[042] Na figura 7 é mostrado o modelo de motor baseado no sistema híbrido, contendo dois subsistemas indicado por (31) e (37). Cada subsistema possui sua câmara de conversão termomecânica (33) e (35), um elemento de força motriz (312), um regenerador ativo (310) e (314), seus eixos de transmissão, respectivamente (38), (39), (311) e (313), (315), (316). Fazendo conexão entre os subsistemas para os processos de transferência de massa, há um elemento de transferência de massa (34). No subsistema (31) roda o semiciclo (1-2, 2-3, 3-4 e 4-1) e no subsistema (37) roda o semiciclo (a-b, b-c, c-d e d-a), interdependentes, e ambos formam o ciclo completo com oito processos, quatro isotérmicos (1-2, 3-4, a-b e c-d) e quatro isocóricos (2-3, 41, b-c e c-d) regenerativos.[042] Figure 7 shows the engine model based on the hybrid system, containing two subsystems indicated by (31) and (37). Each subsystem has its thermomechanical conversion chamber (33) and (35), a driving force element (312), an active regenerator (310) and (314), its transmission shafts, respectively (38), (39), (311) and (313), (315), (316). Connecting the subsystems for mass transfer processes is a mass transfer element (34). In subsystem (31) the semicycle (1-2, 2-3, 3-4 and 4-1) runs and in subsystem (37) the semicycle (a-b, b-c, c-d and d-a) runs, interdependent, and both form the complete cycle with eight regenerative processes, four isothermal (1-2, 3-4, a-b and c-d) and four isochoric (2-3, 41, b-c and c-d).

[043] Na figura 8 e figura 9 é mostrado o processo responsável por gerar o estado inicial de operação dos regeneradores, (310) e (314). No estado inicial de operação, os regeneradores são, ambos, levados à equalizar-se com a temperatura da fonte quente (Tq). Na figura 8, enquanto um dos subsistemas, (31), realiza sua isotérmica de alta temperatura, seu respectivo regenerador é pressurizado por força mecânica através das transmissões, (38), (39) e (311), equalizando-se com a temperatura do gás de trabalho do subsistema 31 em (Tq), mostrado no gráfico da figura 14 no trajeto indicado em (71). Na figura 9, enquanto o segundo subsistema (37), realiza sua isotérmica de alta temperatura, seu respectivo regenerador é pressurizado por força mecânica através das transmissões (316), (315) e (313), equalizando-se com a temperatura do gás de trabalho do subsistema (37) em (Tq), mostrado também no gráfico da figura 14 no trajeto indicado em (71).[043] Figure 8 and Figure 9 show the process responsible for generating the initial operating state of the regenerators, (310) and (314). In the initial state of operation, the regenerators are both brought to equalize with the temperature of the hot source (Tq). In figure 8, while one of the subsystems, (31), performs its high temperature isotherm, its respective regenerator is pressurized by mechanical force through the transmissions, (38), (39) and (311), equalizing with the temperature of the working gas of subsystem 31 in (Tq), shown in the graph in figure 14 on the path indicated in (71). In figure 9, while the second subsystem (37) performs its high temperature isotherm, its respective regenerator is pressurized by mechanical force through transmissions (316), (315) and (313), equalizing with the gas temperature of subsystem (37) in (Tq), also shown in the graph in figure 14 on the path indicated in (71).

[044] As figuras 10, 11, 12 e 13 mostram como ocorrem mecanicamente os oito processos, quatro isotérmicos e quatro isocóricos com transferência de massa e com regeneração da energia, calor, as figuras 14, 15 e 16 mostram como opera o regenerador ativo e a figura 17 mostra o ciclo diferencial regenerativo com todos os seus processos, completo. Como todo motor térmico, este motor opera por meio de fluxo da energia que ocorre entre dois potenciais térmicos, isto é, duas temperaturas onde a fonte de energia é o calor que pode ser de diferentes origens, por meio de uma combustão ou do calor provenientes de outros processos e a fonte fria também pode ser por diversas formas de resfriamento, arrefecimento, dissipação e de forma que no subsistema (31) roda o semiciclo termodinâmico formado pelos processos (1-2, 2-3, 34 e 4-1) e no subsistema (37) roda o semiciclo termodinâmico formado pelos processos (a-b, b-c, c-d e d-a) os quais são interdependentes e que em conjunto forma o ciclo diferencial. Acompanhando as figuras, o processo operacional do motor se inicia com a energia, calor, indicado por (810) na figura 17 do ciclo, entrando fisicamente no subsistema (31), figura 10, por meio do trocador de calor (317) ao gás que se encontra em (33) e o gás manterá a temperatura da fonte quente (Tq) e executará um processo isotérmico de expansão (1-2), mostrado na figura 17, de forma que o volume do gás no subsistema (31) expandirá de (V1) para (V2) gerando trabalho, força motriz, no elemento de força motriz (312), simultaneamente, considerando que o motor é constituído por dois subsistemas que operam um ciclo termodinâmico diferencial com o resfriamento ou arrefecimento, retirada de calor, indicado por (811) na figura 17 do ciclo, calor este sendo retirado fisicamente do subsistema (37), figura 10, por meio do trocador de calor (318) junto ao gás do subsistema (37) que se encontra em (35) e o gás manterá a temperatura da fonte fria, de arrefecimento ou resfriamento frio (Tf) e executará um processo isotérmico de compressão (c-d), de forma que o volume do gás no subsistema (37) comprimirá de (V2) para (V1), recebendo trabalho de energia armazenada no elemento de força motriz (312), conforme figura 17, posteriormente aos processos isotérmicos (1-2) e (c-d), ocorre no subsistema (31), figura 11, o processo isocórico de resfriamento (2-3), mostrado na figura 17, com o gás em 33 contido em uma região isolada do meio externo através de (32), porém com condução de calor com o regenerador do subsistema (31), sendo que o regenerador é do tipo ativo, com gás e a expansão do gás do regenerador absorve o calor da fração do gás do motor térmico contido no subsistema (31) indicado por (33), levando o gás da temperatura quente (Tq) para a temperatura fria (Tf), simultaneamente, ainda na figura 11, ocorre o subsistema (37) o processo isocórico de aquecimento (d-a), mostrado na figura 17, com o gás contido em uma região isolada do meio externo (36), porém com condução de calor com o regenerador do subsistema (37), sendo que o regenerador é do tipo ativo, com gás, e a compressão do gás do regenerador cede a energia armazenada, regenera o calor da fração do gás do motor térmico contido no subsistema (37) indicado por (35), levando o gás da temperatura fria (Tf) para a temperatura quente (Tq) e durante os processos isocóricos (2-3) e (d-a), ocorre simultaneamente a transferência de massa de gás do subsistema (31) que se encontra com maior pressão, para o subsistema (37) que se encontra com menor pressão, de forma controlada, transferência esta que pode ser zero, através do elemento de transferência de massa (34), posteriormente aos processos isocóricos regenerativos (23) e (d-a), ocorre no subsistema (31) com o resfriamento ou arrefecimento, retirada de calor, indicado por (811) na figura 17 do ciclo, calor este sendo retirado fisicamente do subsistema (31), figura 12, por meio do trocador de calor (41) junto ao gás do subsistema (31) que se encontra em (33) e o gás manterá a temperatura da fonte fria, de arrefecimento ou resfriamento frio (Tf) e executará um processo isotérmico de compressão (3-4), de forma que o volume do gás no subsistema (31) comprimirá de (V2) para (V1), recebendo trabalho da energia armazenada no elemento de força motriz (312), conforme figura 17, simultaneamente ocorre no subsistema (37) com a energia, calor, indicado por (810) na figura 17 do ciclo, entrando fisicamente no subsistema (37), figura 12, por meio do trocador de calor (42) ao gás que se encontra em (35) e o gás manterá a temperatura da fonte quente (Tq) e executará um processo isotérmico de expansão (a-b), mostrado na figura 17, de forma que o volume do gás no subsistema (37) expandirá de (V1) para (V2) gerando trabalho, força motriz, no elemento de força motriz (312) posteriormente aos processos isotérmicos (3-4) e (a-b), ocorre no subsistema (31), na figura 13, ocorre no subsistema (31) o processo isocórico de aquecimento (4-1), mostrado na figura 17, com o gás contido em uma região isolada do meio externo (32), porém com condução de calor com o regenerador do subsistema (31), sendo que o regenerador é do tipo ativo, com gás, e a compressão do gás do regenerador cede a energia armazenada, regenera o calor da fração do gás do motor térmico contido no subsistema (31) indicado por (33), levando o gás da temperatura fria (Tf) para a temperatura quente (Tq), simultaneamente, ainda na figura 13, ocorre no subsistema (37), o processo isocórico de resfriamento (b-c), mostrado na figura 17, com o gás em (35) contido em uma região isolada do meio externo através de (36), porém com condução de calor com o regenerador do subsistema (37), sendo que o regenerador é do tipo ativo, com gás e a expansão do gás do regenerador absorve o calor da fração do gás do motor térmico contido no subsistema (37) indicado por (35), levando o gás da temperatura quente (Tq) para a temperatura fria (Tf), e durante os processos isocóricos (4-1) e (b-c), ocorre simultaneamente a transferência de massa de gás do subsistema (37) que se encontra com maior pressão, para o subsistema (37) que se encontra com menor pressão, de forma controlada, transferência esta que pode ser zero, através do elemento de transferência de massa (34), finalizando assim os oito processos que forma o ciclo termodinâmico diferencial do motor térmico fundamentado no sistema termodinâmico híbrido. Os processos que formam o ciclo do regenerador ativo são dois, um adiabático de expansão, absorção de calor, e um adiabático de compressão, regeneração, mostrados nas figuras 14, 15 e 16 e posteriormente de forma integrada ao ciclo do motor, mostrado na figura 17. O ciclo termodinâmico do regenerador ativo consiste em um processo adiabático de expansão do gás do regenerador, porém com o calor somado do gás do próprio regenerador com o calor da respectiva fração do gás do seu subsistema, absorvendo todo o calor indicado por (813) na figura 17, e transferindo sua energia para os elementos mecânicos do regenerador em forma de energia cinética, baixando a temperatura dos gases do motor e do regenerador, ambos, da temperatura quente (Tq) para temperatura fria (Tf), posteriormente o regenerador devolve o calor, indicado por (812), isto é, regenera a energia cinética, aquecendo os gases do próprio regenerador e do motor novamente elevando a temperatura de (Tf) para (Tq). Desta forma, dentro do ciclo diferencial, o subsistema que executará processos isotérmicos de expansão e alta temperatura poderá, não obrigatoriamente, ter mais massa de gás que o subsistema que executa simultaneamente o processo isotérmico de compressão e baixa temperatura.[044] Figures 10, 11, 12 and 13 show how the eight processes occur mechanically, four isothermal and four isochoric with mass transfer and regeneration of energy, heat, figures 14, 15 and 16 show how the active regenerator operates and figure 17 shows the complete regenerative differential cycle with all its processes. Like any thermal engine, this engine operates through the flow of energy that occurs between two thermal potentials, that is, two temperatures where the source of energy is heat, which can come from different sources, through combustion or heat from of other processes and the cold source can also be through various forms of cooling, cooling, dissipation and so that in the subsystem (31) the thermodynamic half-cycle formed by the processes (1-2, 2-3, 34 and 4-1) runs and in subsystem (37) runs the thermodynamic half-cycle formed by the processes (a-b, b-c, c-d and d-a) which are interdependent and which together form the differential cycle. Following the figures, the engine's operational process begins with energy, heat, indicated by (810) in figure 17 of the cycle, physically entering the subsystem (31), figure 10, through the gas heat exchanger (317) which is found in (33) and the gas will maintain the temperature of the hot source (Tq) and carry out an isothermal expansion process (1-2), shown in figure 17, so that the volume of the gas in the subsystem (31) will expand from (V1) to (V2) generating work, driving force, in the driving force element (312), simultaneously, considering that the engine consists of two subsystems that operate a differential thermodynamic cycle with cooling or cooling, heat removal, indicated by (811) in figure 17 of the cycle, heat being physically removed from the subsystem (37), figure 10, through the heat exchanger (318) next to the gas from the subsystem (37) located in (35) and the gas will maintain the temperature of the cold source, cooling or cold cooling (Tf) and will perform an isothermal compression process (c-d), so that the volume of gas in the subsystem (37) will compress from (V2) to (V1), receiving work from energy stored in the driving force element (312), as shown in figure 17, after the isothermal processes (1-2) and (c-d), the isochoric cooling process (2- 3), shown in figure 17, with the gas at 33 contained in a region isolated from the external environment through (32), but with heat conduction with the subsystem regenerator (31), and the regenerator is of the active type, with gas and the expansion of the regenerator gas absorbs the heat from the gas fraction of the thermal engine contained in the subsystem (31) indicated by (33), taking the gas from the hot temperature (Tq) to the cold temperature (Tf), simultaneously, still in figure 11, the isochoric heating process (d-a) occurs in the subsystem (37), shown in figure 17, with the gas contained in a region isolated from the external environment (36), but with heat conduction with the subsystem regenerator (37), and the regenerator is of the active type, with gas, and the compression of the regenerator gas releases the stored energy, regenerates the heat from the gas fraction of the thermal engine contained in the subsystem (37) indicated by (35), taking the gas from the cold temperature (Tf) to the hot temperature (Tq) and during the isochoric processes (2-3) and (d-a), the gas mass transfer occurs simultaneously from the subsystem (31) which is at higher pressure , for the subsystem (37) which is at lower pressure, in a controlled manner, transfer which can be zero, through the mass transfer element (34), after the isochoric regenerative processes (23) and (d-a), occurs in the subsystem (31) with cooling or cooling, heat removal, indicated by (811) in figure 17 of the cycle, heat being physically removed from the subsystem (31), figure 12, through the heat exchanger (41) together to the gas of the subsystem (31) found in (33) and the gas will maintain the temperature of the cold source, cooling or cold cooling (Tf) and will carry out an isothermal compression process (3-4), so that the volume of the gas in the subsystem (31) will compress from (V2) to (V1), receiving work from the energy stored in the driving force element (312), as shown in figure 17, simultaneously occurs in the subsystem (37) with the energy, heat, indicated by (810) in figure 17 of the cycle, physically entering the subsystem (37), figure 12, through the heat exchanger (42) to the gas found in (35) and the gas will maintain the temperature of the hot source (Tq) and will execute an isothermal expansion process (a-b), shown in figure 17, so that the gas volume in the subsystem (37) will expand from (V1) to (V2) generating work, driving force, in the driving force element (312 ) subsequent to the isothermal processes (3-4) and (a-b), occurs in subsystem (31), in figure 13, the isochoric heating process (4-1), shown in figure 17, occurs in subsystem (31), with the gas contained in a region isolated from the external environment (32), but with heat conduction with the subsystem regenerator (31), the regenerator being of the active type, with gas, and the compression of the regenerator gas yields the stored energy , regenerates the heat of the gas fraction of the thermal engine contained in the subsystem (31) indicated by (33), taking the gas from the cold temperature (Tf) to the hot temperature (Tq), simultaneously, still in figure 13, occurs in the subsystem (37), the isochoric cooling process (b-c), shown in figure 17, with the gas in (35) contained in a region isolated from the external environment through (36), but with heat conduction with the subsystem regenerator ( 37), and the regenerator is of the active type, with gas and the expansion of the regenerator gas absorbs the heat from the thermal engine gas fraction contained in the subsystem (37) indicated by (35), taking the gas from the hot temperature ( Tq) for the cold temperature (Tf), and during the isochoric processes (4-1) and (b-c), the mass transfer of gas from the subsystem (37), which is at higher pressure, to the subsystem (37) occurs simultaneously ) which is at lower pressure, in a controlled manner, a transfer that can be zero, through the mass transfer element (34), thus completing the eight processes that form the differential thermodynamic cycle of the thermal engine based on the hybrid thermodynamic system. The processes that form the active regenerator cycle are two, an adiabatic expansion, heat absorption, and an adiabatic compression, regeneration, shown in figures 14, 15 and 16 and later integrated into the engine cycle, shown in figure 17. The thermodynamic cycle of the active regenerator consists of an adiabatic process of expansion of the regenerator gas, but with the added heat of the regenerator's own gas with the heat of the respective gas fraction of its subsystem, absorbing all the heat indicated by (813 ) in figure 17, and transferring its energy to the mechanical elements of the regenerator in the form of kinetic energy, lowering the temperature of the engine and regenerator gases, both, from the hot temperature (Tq) to the cold temperature (Tf), subsequently the regenerator returns the heat, indicated by (812), that is, it regenerates the kinetic energy, heating the gases in the regenerator itself and in the engine again, raising the temperature from (Tf) to (Tq). Therefore, within the differential cycle, the subsystem that will execute isothermal processes of expansion and high temperature may, not necessarily, have more gas mass than the subsystem that simultaneously executes the isothermal process of compression and low temperature.

[045] O gráfico da figura 14 esclarece como o regenerador ativo funciona, a curva indicada por (71) mostra o processo inicial para condicionar a operacionabilidade do regenerador, a curva indicada por (72) mostra o processo do regenerador em operação com o ciclo do motor, ocorre alternadamente e sequencialmente a transferência de calor do gás do motor para o regenerador, este saindo da temperatura quente (Tq) para a temperatura (Tf) e a regeneração quando o processo ocorre ao contrário, partindo da temperatura (Tf) para a temperatura (Tq). Estes processos sempre ocorrem durante as isocóricas do ciclo do motor.[045] The graph in figure 14 clarifies how the active regenerator works, the curve indicated by (71) shows the initial process to condition the operability of the regenerator, the curve indicated by (72) shows the regenerator process in operation with the cycle of the engine, heat transfer occurs alternately and sequentially from the engine gas to the regenerator, which goes from the hot temperature (Tq) to the temperature (Tf) and regeneration occurs when the process occurs in reverse, starting from the temperature (Tf) to the temperature (Tq). These processes always occur during the isochorics of the engine cycle.

[046] A curva (71) da figura 14 é um processo adiabático e sua energia na unidade (Joule) é representada pela seguinte expressão: [046] Curve (71) in figure 14 is an adiabatic process and its energy in units (Joule) is represented by the following expression:

[047] Esta energia (W71) é a energia interna do gás do próprio regenerador que permanece internamente durante todo o tempo em que o motor estará funcionando.[047] This energy (W71) is the internal energy of the regenerator's own gas that remains internally throughout the time the engine is running.

[048] A curva (72) da figura 14 também é um processo adiabático e sua energia na unidade (Joule) é representada pela seguinte expressão: [048] Curve (72) in figure 14 is also an adiabatic process and its energy in unit (Joule) is represented by the following expression:

[049] O primeiro termo da energia (W72) é a própria energia interna do gás mostrado por (W71) e permanece indefinidamente no regenerador, o segundo termo, é a energia das adiabáticas do ciclo do motor nos processo isocóricos.[049] The first energy term (W72) is the internal energy of the gas shown by (W71) and remains indefinitely in the regenerator, the second term is the adiabatic energy of the engine cycle in isochoric processes.

[050] O processo termodinâmico da curva (72) da figura 14 ocorre nas condições mostradas nos desenhos mecânicos das figuras 11 e 13.[050] The thermodynamic process of curve (72) in figure 14 occurs under the conditions shown in the mechanical drawings in figures 11 and 13.

[051] A figura 15 mostra em (73) os processos que formam o ciclo de um dos subsistemas. O processo (b-c) do ciclo mostrado em (73) é isocórico e inicia no ponto (b) a volume constante na temperatura quente (Tq), com (n1) mol de gás e segue para o ponto (c), transferindo parte da massa de gás, equivalente a (n1-n2) mol de gás para o outro subsistema e transferindo seu calor (energia) para o regenerador, chegando ao ponto (c) na temperatura fria (Tf) e com (n2) mol de gás. O gráfico (75) mostra o processo em que o regenerador retira o calor do gás do subsistema, através da expansão do gás interno do regenerador ativo.[051] Figure 15 shows in (73) the processes that form the cycle of one of the subsystems. Process (b-c) of the cycle shown in (73) is isochoric and starts at point (b) at constant volume at hot temperature (Tq), with (n1) moles of gas and continues to point (c), transferring part of the mass of gas, equivalent to (n1-n2) mol of gas to the other subsystem and transferring its heat (energy) to the regenerator, reaching point (c) at the cold temperature (Tf) and with (n2) mol of gas. The graph (75) shows the process in which the regenerator removes heat from the gas in the subsystem, through the expansion of the internal gas of the active regenerator.

[052] A figura 16 mostra em (77), simultaneamente ao ciclo mostrado na figura 15, os processos que formam o ciclo do outro subsistema que compreende o conceito do motor formado por dois subsistemas interdependentes. O processo isocórico (b-c) mostrado na figura 15 no primeiro subsistema é de abaixamento da temperatura do gás, a sua energia é transferida ao regenerador ativo, simultaneamente ocorre no segundo subsistema um processo isocórico (4-1) de crescimento da temperatura, mostrado na figura 16, a massa de gás equivalente a (n1 - n2) mol de gás do primeiro subsistema é transferido a partir do ponto (b), mostrado em (73), para o segundo subsistema o qual inicia este processo isocórico com (n2) mol de gás em (4) e chega com (n1) mol de gás em (1) na temperatura quente (Tq) recebida da energia armazenada do regenerador ativo, cuja curva de seu processo está indicada em (76).[052] Figure 16 shows in (77), simultaneously with the cycle shown in figure 15, the processes that form the cycle of the other subsystem that comprises the concept of the engine formed by two interdependent subsystems. The isochoric process (b-c) shown in figure 15 in the first subsystem involves lowering the gas temperature, its energy is transferred to the active regenerator, simultaneously an isochoric process (4-1) of temperature growth occurs in the second subsystem, shown in figure 16, the mass of gas equivalent to (n1 - n2) moles of gas from the first subsystem is transferred from point (b), shown in (73), to the second subsystem which begins this isochoric process with (n2) mole of gas in (4) and arrives with (n1) mole of gas in (1) at the hot temperature (Tq) received from the stored energy of the active regenerator, whose process curve is indicated in (76).

[053] A figura 17 mostra o ciclo diferencial ideal do motor, de oito processos, completo, baseado no conceito de sistema termodinâmico híbrido ou binário, onde sempre ocorrem dois processos simultâneos no motor, exemplificado pelas indicações (86) e (88), até formar o ciclo completo de oito processos e ciclos de dois processos em cada um dos dois regeneradores ativos. Em (82), 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) mostra os processos do outro subsistema, em (81) são mostrados os processos de um dos regeneradores ativos, em (83) são mostrados os processos do outro regenerador ativo.[053] Figure 17 shows the ideal differential engine cycle, of eight processes, complete, based on the concept of a hybrid or binary thermodynamic system, where two simultaneous processes always occur in the engine, exemplified by indications (86) and (88), until forming the complete cycle of eight processes and cycles of two processes in each of the two active regenerators. In (82), the sequence (1-2-3-4-1) shows the processes of one of the subsystems that form the engine cycle, the sequence (a-b-c-d- a) shows the processes of the other subsystem, in (81) the processes of one of the active regenerators are shown, in (83) the processes of the other active regenerator are shown.

[054] Na figura 17, em (82). A curva indicada por (87) mostra os processos (a-b-c-d-a) de um dos subsistemas, o processo (a-b) é isotérmico de alta temperatura onde ocorre a entrada de energia no sistema, ocorre simultaneamente com o processo isotérmico de baixa temperatura (3-4) por onde ocorre o descarte da energia não utilizada, da curva indicada por (85) do outro subsistema. O processo (b-c) é isocórico de abaixamento de temperatura, ocorre simultaneamente com o processo (4-1), também isocórico, porém de aumento da temperatura, no processo (b-c) ocorre a transferência de calor (energia) do gás do motor para o regenerador cujo ciclo é mostrado em 83, num processo adiabático indicado na curva (89), simultaneamente no processo (4-1) ocorre a regeneração do calor (energia) para o gás do motor recebida do regenerador cujo ciclo é mostrado em (81), também num processo adiabático indicado na curva (84), simultaneamente ainda, durante os processo isocóricos do ciclo do motor e durante os processo adiabáticos dos regeneradores ativos, ocorre a transferência de massa, saindo (n1 - n2) mol de gás no processo (b- c), para o outro subsistema durante o processo isocórico (4-1), mostrado no detalhe (78) do gráfico (77) na figura 16. Os processos (2-3) e (d-a) são idênticos aos processos (b-c) e (4-1). O processo (c-d) é isotérmico de baixa temperatura e ocorre simultaneamente ao processo (1-2), isotérmico de alta temperatura. O processo (d-a) é isocórico de aumento de temperatura (regeneração), com incremento de massa e ocorre simultaneamente ao processo (2-3) isocórico de redução de temperatura (transferência de calor ao regenerador), com redução de massa, finalizando assim o ciclo termodinâmico com oito processos do motor, sempre dois simultâneos e os ciclos dos dois regeneradores ativos, cada um com dois processos adiabáticos. A soma da massa de gás de trabalho dos dois subsistemas que formam o motor é sempre constante.[054] In figure 17, in (82). The curve indicated by (87) shows the processes (a-b-c-d-a) of one of the subsystems, the process (a-b) is a high temperature isothermal where energy enters the system, it occurs simultaneously with the low temperature isothermal process (3-4 ) where unused energy is discarded, from the curve indicated by (85) of the other subsystem. Process (b-c) is isochoric in terms of temperature reduction, it occurs simultaneously with process (4-1), also isochoric, but with an increase in temperature, in process (b-c) the transfer of heat (energy) from the engine gas to the regenerator whose cycle is shown in 83, in an adiabatic process indicated in curve (89), simultaneously in process (4-1) the regeneration of heat (energy) for the engine gas received from the regenerator whose cycle is shown in (81) occurs ), also in an adiabatic process indicated in curve (84), simultaneously, during the isochoric processes of the engine cycle and during the adiabatic processes of the active regenerators, mass transfer occurs, leaving (n1 - n2) mol of gas in the process (b-c), for the other subsystem during the isochoric process (4-1), shown in detail (78) of graph (77) in figure 16. Processes (2-3) and (d-a) are identical to processes (b-c) and (4-1). Process (c-d) is low-temperature isothermal and occurs simultaneously with process (1-2), high-temperature isothermal. Process (d-a) is an isochoric process of temperature increase (regeneration), with an increase in mass and occurs simultaneously with the isochoric process (2-3) of temperature reduction (heat transfer to the regenerator), with mass reduction, thus completing the process. thermodynamic cycle with eight engine processes, always two simultaneous and the cycles of the two active regenerators, each with two adiabatic processes. The sum of the working gas mass of the two subsystems that make up the engine is always constant.

[055] Nas câmaras de conversão do motor, os processos isotérmicos do ciclo do motor (1-2), (a-b), (3-4) e (c-d) são realizados com o gás confinado em uma geometria que favoreça a transferência de calor entre o gás e os elementos quentes e frios. Esta geometria deve ser caracterizada por baixa profundidade para a trajetória do fluxo de calor no gás e por um rápido deslocamento, transição, do gás de trabalho entre as câmaras quentes, frias e isoladas. A geometria das câmaras de conversão e gases com difusividade térmica elevada favorecem a realização dos processos isotérmicos e a velocidade do deslocamento do gás, transição, quanto mais elevada for esta velocidade, menor tempo de transição, melhor definidos serão os processos que formam o ciclo termodinâmico. Os processos isocóricos do ciclo do motor (2-3) e (b-c) são realizados com o gás em uma região isolada termicamente ou na transição entre as áreas quentes e frias do motor, e neste processo o regenerador em contato térmico com o gás de trabalho realizará uma expansão rápida, adiabática, transferindo a energia do gás para os elementos mecânicos do regenerador, armazenando a energia em forma de energia cinética e nos processos isocóricos do ciclo do motor (4-1) e (d-a) são realizados também com o gás em uma região isolada termicamente ou na transição entre as áreas quentes e frias do motor, e neste processo o regenerador em contato térmico com o gás de trabalho realizará uma compressão rápida, adiabática, transferindo a energia cinética de seus elementos de volta para o gás do motor, elevando sua temperatura, concluindo a regeneração.[055] In the engine conversion chambers, the isothermal processes of the engine cycle (1-2), (a-b), (3-4) and (c-d) are carried out with the gas confined in a geometry that favors the transfer of heat between the gas and the hot and cold elements. This geometry must be characterized by low depth for the trajectory of the heat flow in the gas and by a rapid displacement, transition, of the working gas between the hot, cold and isolated chambers. The geometry of the conversion chambers and gases with high thermal diffusivity favor the realization of isothermal processes and the speed of gas displacement, transition, the higher this speed, the shorter the transition time, the better defined the processes that form the thermodynamic cycle will be. . The isochoric processes of the engine cycle (2-3) and (b-c) are carried out with the gas in a thermally isolated region or in the transition between the hot and cold areas of the engine, and in this process the regenerator is in thermal contact with the gas. work will carry out a rapid, adiabatic expansion, transferring the energy of the gas to the mechanical elements of the regenerator, storing the energy in the form of kinetic energy and in the isochoric processes of the engine cycle (4-1) and (d-a) are also carried out with the gas in a thermally isolated region or in the transition between the hot and cold areas of the engine, and in this process the regenerator in thermal contact with the working gas will perform a rapid, adiabatic compression, transferring the kinetic energy of its elements back to the gas of the engine, raising its temperature, completing regeneration.

[056] A tabela 1 mostra processo por processo que formam o ciclo diferencial de oito processos do motor térmico mostrados passo a passo, com quatro processos isotérmicos, quatro processos isocóricos e o ciclo termodinâmico com dois processos adiabáticos do regenerador ativo e etapas de transferência de massa.Tabela 1 [056] Table 1 shows process by process that form the differential cycle of eight heat engine processes shown step by step, with four isothermal processes, four isochoric processes and the thermodynamic cycle with two adiabatic active regenerator processes and heat transfer steps. mass.Table 1

[057] 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 17, possui oito processos, dois processos isotérmicos de alta temperatura de entrada de energia no sistema, curvas (1-2) e (a-b) são representadas pelas expressões (f) e (g), dois processos isotérmicos de baixa temperatura de descarte da energia não utilizada, curvas (3-4) e (c-d) representados pelas expressões (h) e (i), dois processos isocóricos de transferência de calor (2-3) e (b-c) por meio de um regenerador ativo, representados pelas expressões (j) e (k), dois processos isocóricos de regeneração de calor (4-1) e (d-a), representados pelas expressões (l) e (m). As expressões consideram o sinal do sentido do fluxo das energias. [057] This differential cycle of an engine composed of two subsystems based on the concept of a hybrid or binary system, whose pressure and volume curve is indicated in figure 17, has eight processes, two isothermal high-temperature energy input processes in the system, curves (1-2) and (ab) are represented by expressions (f) and (g), two low-temperature isothermal processes for disposing of unused energy, curves (3-4) and (cd) represented by expressions (h) and (i), two isochoric heat transfer processes (2-3) and (bc) through an active regenerator, represented by expressions (j) and (k), two isochoric heat regeneration processes ( 4-1) and (da), represented by the expressions (l) and (m). The expressions consider the sign of the direction of the flow of energies.

[058] O total de energia de entrada no motor é a soma das energias Q(1-2) e Q(a-b) e é representada pela expressão (n) abaixo. [058] The total energy input to the engine is the sum of the energies Q(1-2) and Q(ab) and is represented by the expression (n) below.

[059] O total de energia descartada para o meio exterior é a soma das energias Q(3-4) e Q(c-d) e na sua forma positiva, é representada pela expressão (o) abaixo. [059] The total energy discarded to the external environment is the sum of the energies Q(3-4) and Q(cd) and in its positive form, it is represented by the expression (o) below.

[060] O trabalho útil total do motor, considerando um modelo ideal sem perdas, é a diferença entre a entrada e a saída da energia e é representado pela expressão (p) abaixo. [060] The total useful work of the motor, considering an ideal lossless model, is the difference between the energy input and output and is represented by the expression (p) below.

[061] Os processos isocóricos, mostrados pelas expressões (j), (k), (l) e (m) são regenerativos, a energia é transferida no processo de abaixamento de temperatura e regenerada nos processos de aumento da temperatura, isto é, a energia se conserva nos subsistemas.[061] The isochoric processes, shown by expressions (j), (k), (l) and (m) are regenerative, energy is transferred in the process of lowering the temperature and regenerated in the processes of increasing the temperature, that is, energy is conserved in the subsystems.

[062] A demonstração final teórica da eficiência do ciclo diferencial de oito processos, quatro processos isotérmicos, quatro processos isocóricos com transferência de massa e regenerador ativo é dada pela expressão (q) abaixo, caracterizando que os ciclos diferenciais baseados no sistema termodinâmico híbrido ou binário possuem como parâmetro da eficiência, também o número de moles ou massa nos processos e portanto estes ciclos não possuem suas eficiências dependentes exclusivamente das temperaturas. [062] The final theoretical demonstration of the efficiency of the differential cycle of eight processes, four isothermal processes, four isochoric processes with mass transfer and active regenerator is given by expression (q) below, characterizing that the differential cycles based on the hybrid thermodynamic system or Binary cycles also have as an efficiency parameter the number of moles or mass in the processes and therefore these cycles do not have their efficiencies dependent exclusively on temperatures.

EXEMPLOS DE APLICAÇÕESAPPLICATION EXAMPLES

[063] Os motores de ciclo diferenciais baseados no sistema híbrido 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. Pelas 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 ciclos motores existentes baseados nos sistema aberto ou fechado. Os motores de ciclo diferenciais são totalmente flexíveis quanto à fonte da energia (calor), na figura 18 é mostrado uma aplicação para o emprego do motor de ciclo diferencial para a geração de energia a partir de fontes geotermais. A figura 18 mostra um sistema de transferência de calor do solo (96) para um coletor (94), formado basicamente por uma bomba (97) que injeta um fluido, normalmente água, pelo duto (93). O calor no coletor (94) é transferido para o motor de ciclo diferencial (91), o qual descarta parte da energia para o meio externo através do trocador de calor (95) e converte outra parte da energia em trabalho, operando um gerador (92) o qual produz eletricidade.[063] Differential cycle engines based on the hybrid system operate with heat, do not require combustion, although it can be used, do not require burning of fuels, although it can be used, therefore they can operate in environments with or without atmosphere. The thermodynamic cycle does not require changing the physical phase of the working gas. Due to their properties exposed in this description, differential cycle engines can be designed to operate in a wide temperature range, higher than most existing engine cycles based on open or closed systems. Differential cycle engines are completely flexible in terms of the energy source (heat). Figure 18 shows an application for using the differential cycle engine to generate energy from geothermal sources. Figure 18 shows a heat transfer system from the ground (96) to a collector (94), basically formed by a pump (97) that injects a fluid, normally water, through the duct (93). The heat in the collector (94) is transferred to the differential cycle engine (91), which discards part of the energy to the external environment through the heat exchanger (95) and converts another part of the energy into work, operating a generator ( 92) which produces electricity.

[064] A figura 19 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 (103), a energia (calor) é transferida para o elemento (104) o qual direciona o calor para o motor de ciclo diferencial (101), este converte parte da energia em trabalho útil para operar um gerador de eletricidade (102), parte da energia é descartada ao meio externo através do trocador (105).[064] Figure 19 shows another useful application for the differential cycle engine for producing energy from the sun's heat. The sun's rays are collected through the concentrator (103), the energy (heat) is transferred to the element (104) which directs the heat to the differential cycle engine (101), which converts part of the energy into useful work to operate an electricity generator (102), part of the energy is discarded to the external environment through the exchanger (105).

Claims (11)

1) “MOTOR TÉRMICO”, caracterizado por ser composto por dois subsistemas termodinâmicos, (31) e (37), configurando um sistema termodinâmico híbrido, sendo cada subsistema 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 317) e (35 com 42), uma resfriada, (33 com 41) e (35 com 318), e outra isolada,(33 com 32) e (35 com 36),conectado a estas duas câmaras há um elemento de força motriz,(312), cada subsistema possui um regenerador ativo,(310) e (314),entre os subsistemas há um elemento de transferência de massa,(34), estes dois subsistemas executam simultaneamente cada um deles, um ciclo de quatro processos interdependentes formando um ciclo termodinâmico diferencial, (82), único, de oito processos, sendo quatro deles isotérmicos, (a-b), (1-2), (c-d) e (3-4), quatro isocóricos, (b-c), (2-3), (d-a) e (4-1), com transferência de massa variável.1) “THERMAL ENGINE”, characterized by being composed of two thermodynamic subsystems, (31) and (37), configuring a hybrid thermodynamic system, with each subsystem formed by a chamber, (33) and (35), containing working gas and each of these two chambers is formed by three subchambers, one heated, (33 with 317) and (35 with 42), one cooled, (33 with 41) and (35 with 318), and another isolated, (33 with 32 ) and (35 with 36), connected to these two chambers there is a driving force element, (312), each subsystem has an active regenerator, (310) and (314), between the subsystems there is a mass transfer element, (34), these two subsystems each simultaneously execute a cycle of four interdependent processes forming a differential thermodynamic cycle, (82), unique, of eight processes, four of which are isothermal, (a-b), (1-2), (c-d) and (3-4), four isochorics, (b-c), (2-3), (d-a) and (4-1), with variable mass transfer. 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 317) e (35 com 42), uma subcâmara resfriada, (33 com 41) e (35 com 318), 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 híbrido.2) “THERMAL ENGINE”, according to claim 1, characterized in that it is composed of two chambers, (33) and (35), each chamber is divided into three subchambers, a heated subchamber, (33 with 317) and (35 with 42), a cooled subchamber, (33 with 41) and (35 with 318), and a thermally insulated subchamber, (33 with 32) and (35 with 36), forming each chamber, a subsystem, (31) and ( 37), and the junction of these two subsystems forms a hybrid thermodynamic system. 3) “MOTOR TÉRMICO ”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por possuir um elemento de força motriz, (312), conectado às duas câmaras de conversão termodinâmicas, (33) e (35).3) “THERMAL ENGINE”, according to claim 1, characterized by having a driving force element, (312), connected to the two thermodynamic conversion chambers, (33) and (35). 4) “MOTOR TÉRMICO ”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por possuir um regenerador ativo, (310) e (314), em cada uma das câmaras.4) “THERMAL ENGINE”, according to claim 1, characterized by having an active regenerator, (310) and (314), in each of the chambers. 5) “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) “THERMAL ENGINE”, according to claim 1, characterized by having a working gas mass transfer element, (34), between the chambers. 6) “PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO”, particularmente para o controle do ciclo termodinâmico do motor térmico das reivindicações 1 a 5, caracterizado por um ciclo termodinâmico diferencial formado por dois semiciclos interdependentes de quatro processos cada um, formando um ciclo diferencial de oito processos, quatro isotérmicos e quatro isocóricos com transferência de massa e com regeneração da energia, este motor térmico opera por meio do fluxo da energia que ocorre entre dois potenciais térmicos, isto é, duas temperaturas, de forma que no subsistema (31) roda o semiciclo termodinâmico formado pelos processos (1-2, 2-3, 3-4 e 4-1) e no subsistema (37) roda o semiciclo termodinâmico formado pelos processos (a-b, b-c, c-d e d-a) os quais são interdependentes e que em conjunto formam o ciclo diferencial, o processo operacional do motor se inicia com a energia, calor (810), entrando fisicamente no subsistema (31), por meio de trocador de calor (317) ao gás que se encontra em (33) e o gás manterá a temperatura da fonte quente (Tq) e executará um processo isotérmico de expansão (1-2), de forma que o volume do gás no subsistema (31) expandirá de (V1) para (V2) gerando trabalho, força motriz, no elemento de força motriz (312), simultaneamente, considerando que o motor é constituído por dois subsistemas que operam um ciclo termodinâmico diferencial, com o resfriamento ou arrefecimento, retirada de calor (811), calor este sendo retirado fisicamente do subsistema (37), por meio do trocador de calor (318) junto ao gás do subsistema (37) que se encontra em (35) e o gás manterá a temperatura da fonte fria, de arrefecimento ou resfriamento frio (Tf) e executará um processo isotérmico de compressão (c-d), de forma que o volume do gás no subsistema (37) comprimirá de (V2) para (V1), recebendo trabalho da energia armazenada no elemento de força motriz (312), posteriormente aos processos isotérmicos (1-2) e (c-d), ocorre no subsistema (31), o processo isocórico de resfriamento (2-3), com o gás em (33) contido em uma região isolada do meio externo através de (32), porém com condução de calor com o regenerador do subsistema (31), sendo que o regenerador é do tipo ativo, com gás e a expansão do gás do regenerador absorve o calor da fração do gás do motor térmico contido no subsistema (31) levando o gás da temperatura quente (Tq) para a temperatura fria (Tf), simultaneamente, ainda, ocorre o subsistema (37) o processo isocórico de aquecimento (d-a), com o gás contido em uma região isolada do meio externo (36), porém com condução de calor com o regenerador do subsistema (37), sendo que o regenerador é do tipo ativo, com gás, e a compressão do gás do regenerador cede a energia armazenada, regenera o calor da fração do gás do motor térmico contido no subsistema (37), levando o gás da temperatura fria (Tf) para a temperatura quente (Tq), e durante os processos isocóricos (2-3) e (d-a), ocorre simultaneamente a transferência de massa de gás do subsistema (31) que se encontra com maior pressão, para o subsistema (37) que se encontra com menor pressão, de forma controlada, transferência esta que pode ser zero, através do elemento de transferência de massa (34), posteriormente aos processos isocóricos regenerativos (2-3) e (d-a), ocorre no subsistema (31) com o resfriamento ou arrefecimento, retirada de calor (811), calor este sendo retirado fisicamente do subsistema (31), por meio do trocador de calor (41) junto ao gás do subsistema (31) que se encontra em (33) e o gás manterá a temperatura da fonte fria, de arrefecimento frio (Tf) e executará um processo isotérmico de compressão (3-4), de forma que o volume do gás no subsistema (31) comprimirá de (V2) para (V1), recebendo trabalho da energia armazenada no elemento de força motriz (312), simultaneamente ocorre no subsistema (37) com a energia, calor, indicado por (810), entrando fisicamente no subsistema (37), por meio do trocador de calor (42) ao gás que se encontra em (35) e o gás manterá a temperatura da fonte quente (Tq) e executará um processo isotérmico de expansão (a-b), de forma que o volume do gás no subsistema (37) expandirá de (V1) para (V2) gerando trabalho, força motriz, no elemento de força motriz (312), posteriormente aos processos isotérmicos (3-4) e (a- b), ocorre no subsistema (31), o processo isocórico de aquecimento (4-1), com o gás contido em uma região isolada do meio externo (32), porém com condução de calor com o regenerador do subsistema (31), sendo que o regenerador é do tipo ativo, com gás, e a compressão do gás do regenerador cede a energia armazenada, regenera o calor da fração do gás do motor térmico contido no subsistema (31), levando o gás da temperatura fria (Tf) para a temperatura quente (Tq), simultaneamente corre no subsistema (37), o processo isocórico de resfriamento (b-c), com o gás em (35) contido em uma região isolada do meio externo através de (36), porém com condução de calor com o regenerador do subsistema (37), sendo que o regenerador é do tipo ativo, com gás e a expansão do gás do regenerador absorve o calor da fração do gás do motor térmico contido no subsistema (37), levando o gás da temperatura quente (Tq) para a temperatura fria (Tf), e durante os processos isocóricos (4-1) e (b-c), ocorre simultaneamente a transferência de massa de gás do subsistema (37) que se encontra com maior pressão, para o subsistema (31) que se encontra com menor pressão, de forma controlada, transferência esta que pode ser zero, através do elemento de transferência de massa (34), finalizando assim os oito processos que formam o ciclo termodinâmico diferencial do motor térmico fundamentado no sistema termodinâmico híbrido.6) “CONTROL PROCESS FOR THE THERMAL ENGINE THERMODYNAMIC CYCLE”, particularly for controlling the thermodynamic cycle of the heat engine of claims 1 to 5, characterized by a differential thermodynamic cycle formed by two interdependent half-cycles of four processes each, forming a differential cycle of eight processes, four isothermal and four isochoric with mass transfer and energy regeneration, this thermal engine operates through the flow of energy that occurs between two thermal potentials, that is, two temperatures, so that in the subsystem ( 31) runs the thermodynamic half-cycle formed by the processes (1-2, 2-3, 3-4 and 4-1) and in the subsystem (37) runs the thermodynamic half-cycle formed by the processes (a-b, b-c, c-d and d-a) which are interdependent and together form the differential cycle, the engine's operational process begins with energy, heat (810), physically entering the subsystem (31), through a heat exchanger (317) to the gas that is in (33) and the gas will maintain the hot source temperature (Tq) and carry out an isothermal expansion process (1-2), so that the gas volume in the subsystem (31) will expand from (V1) to (V2) generating work, driving force, in the driving force element (312), simultaneously, considering that the engine consists of two subsystems that operate a differential thermodynamic cycle, with cooling or cooling, heat removal (811), heat being removed physically of the subsystem (37), through the heat exchanger (318) next to the subsystem gas (37) located in (35) and the gas will maintain the temperature of the cold source, cooling or cold cooling (Tf) and will perform an isothermal compression process (c-d), so that the volume of gas in the subsystem (37) will compress from (V2) to (V1), receiving work from the energy stored in the driving force element (312), subsequent to the isothermal processes ( 1-2) and (c-d), the isochoric cooling process (2-3) occurs in subsystem (31), with the gas in (33) contained in a region isolated from the external environment through (32), but with heat conduction with the subsystem regenerator (31), and the regenerator is of the active type, with gas and the expansion of the regenerator gas absorbs the heat from the gas fraction of the thermal engine contained in the subsystem (31) taking the gas from the hot temperature (Tq) to the cold temperature (Tf), simultaneously, the subsystem (37) also occurs the isochoric heating process (d-a), with the gas contained in a region isolated from the external environment (36), but with conduction of heat with the subsystem regenerator (37), and the regenerator is of the active type, with gas, and the compression of the regenerator gas releases the stored energy, regenerating the heat from the gas fraction of the thermal engine contained in the subsystem (37 ), taking the gas from the cold temperature (Tf) to the hot temperature (Tq), and during the isochoric processes (2-3) and (d-a), the mass transfer of gas from the subsystem (31) which is located with higher pressure, to the subsystem (37) which is at lower pressure, in a controlled manner, transfer which can be zero, through the mass transfer element (34), after the isochoric regenerative processes (2-3) and (d-a), occurs in the subsystem (31) with cooling or cooling, heat removal (811), heat being physically removed from the subsystem (31), through the heat exchanger (41) next to the subsystem gas (31 ) which is found in (33) and the gas will maintain the temperature of the cold source, of cold cooling (Tf) and will carry out an isothermal compression process (3-4), so that the volume of gas in the subsystem (31) will compress from (V2) to (V1), receiving work from the energy stored in the driving force element (312), simultaneously occurs in the subsystem (37) with the energy, heat, indicated by (810), physically entering the subsystem (37), through the heat exchanger (42) to the gas found in (35) and the gas will maintain the temperature of the hot source (Tq) and carry out an isothermal expansion process (a-b), so that the volume of gas in the subsystem (37) will expand from (V1) to (V2) generating work, driving force, in the driving force element (312), subsequent to the isothermal processes (3-4) and (a-b), occurs in the subsystem (31), the isochoric heating process (4-1), with the gas contained in a region isolated from the external environment (32), but with heat conduction with the subsystem regenerator (31), and the regenerator is of the active type, with gas, and the compression of the regenerator gas releases the stored energy, regenerates the heat from the gas fraction of the thermal engine contained in the subsystem (31), taking the gas from the cold temperature (Tf) to the hot temperature (Tq), simultaneously running in subsystem (37), the isochoric cooling process (b-c), with the gas in (35) contained in a region isolated from the external environment through (36), but with heat conduction with the subsystem regenerator (37), the regenerator is of the active type, with gas and the expansion of the regenerator gas absorbs the heat from the gas fraction of the thermal engine contained in the subsystem (37), taking the gas from the hot temperature (Tq) to the cold temperature (Tf ), and during the isochoric processes (4-1) and (b-c), gas mass transfer occurs simultaneously from the subsystem (37) which is at higher pressure, to the subsystem (31) which is at lower pressure, in a controlled manner, a transfer that can be zero, through the mass transfer element (34), thus completing the eight processes that form the differential thermodynamic cycle of the thermal engine based on the hybrid thermodynamic system. 7) “PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO”, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por um processo onde a energia, calor (810), entrando fisicamente no subsistema (31), por meio do trocador de calor (317) ao gás que se encontra em (33) e o gás manterá a temperatura da fonte quente (Tq) e executará um processo isotérmico de expansão (1-2), de forma que o volume do gás no subsistema (31) expandirá de (V1) para (V2) gerando trabalho, força motriz, no elemento de força motriz (312), simultaneamente, considerando que o motor é constituído por dois subsistemas que operam um ciclo termodinâmico diferencial, com o resfriamento ou arrefecimento, retirada de calor (811), calor este sendo retirado fisicamente do subsistema (37) que se encontra em (35) e o gás manterá a temperatura da fonte fria, de arrefecimento ou resfriamento frio (Tf) e executará um processo isotérmico de compressão (c-d), de forma que o volume do gás no subsistema (37) comprimirá de (V2) para (V1), recebendo trabalho da energia armazenada no elemento de força motriz (312).7) “CONTROL PROCESS FOR THE THERMODYNAMIC CYCLE OF THE THERMAL ENGINE”, according to claim 6, characterized by a process where energy, heat (810), physically enters the subsystem (31), through the heat exchanger ( 317) to the gas found in (33) and the gas will maintain the temperature of the hot source (Tq) and carry out an isothermal expansion process (1-2), so that the volume of gas in the subsystem (31) will expand by (V1) to (V2) generating work, driving force, in the driving force element (312), simultaneously, considering that the engine consists of two subsystems that operate a differential thermodynamic cycle, with cooling or cooling, heat removal ( 811), heat being physically removed from the subsystem (37) located in (35) and the gas will maintain the temperature of the cold source, cooling or cold cooling (Tf) and will carry out an isothermal compression process (c-d), of so that the gas volume in the subsystem (37) will compress from (V2) to (V1), receiving work from the energy stored in the driving force element (312). 8) “PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO”, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por um processo onde posteriormente aos processos isotérmicos (1-2) e (c-d), ocorre no subsistema (31), o processo isocórico de resfriamento (2-3), com o gás em (33) contido em uma região isolada do meio externo através de (32), porém com condução de calor com o regenerador do subsistema (31), sendo que o regenerador é do tipo ativo, com gás e a expansão do gás do regenerador absorve o calor da fração do gás do motor térmico contido no subsistema (31) levando o gás da temperatura quente (Tq) para a temperatura fria (Tf), simultaneamente, ainda, ocorre no subsistema (37) o processo isocórico de aquecimento (d-a), com o gás contido em uma região isolada do meio externo (36), porém com condução de calor com o regenerador do subsistema (37), sendo que o regenerador é do tipo ativo, com gás, e a compressão do gás do regenerador cede a energia armazenada, regenera o calor da fração do gás do motor térmico contido no subsistema (37), levando o gás da temperatura fria (Tf) para a temperatura quente (Tq), e durante os processos isocóricos (2-3) e (d-a), ocorre simultaneamente a transferência de massa de gás do subsistema (31) que se encontra com maior pressão, para o subsistema (37) que se encontra com menor pressão, de forma controlada, transferência esta que pode ser zero, através do elemento de transferência de massa (34).8) “CONTROL PROCESS FOR THE THERMODYNAMIC CYCLE OF THE THERMAL ENGINE”, according to claim 6, characterized by a process where subsequent to the isothermal processes (1-2) and (c-d), occurs in the subsystem (31), the process isochoric cooling system (2-3), with the gas in (33) contained in a region isolated from the external environment through (32), but with heat conduction with the subsystem regenerator (31), with the regenerator being of the active type, with gas and the expansion of the regenerator gas absorbs the heat from the gas fraction of the thermal engine contained in the subsystem (31), taking the gas from the hot temperature (Tq) to the cold temperature (Tf), simultaneously, yet, occurs in the subsystem (37) the isochoric heating process (d-a), with the gas contained in a region isolated from the external environment (36), but with heat conduction with the subsystem regenerator (37), and the regenerator is of the type active, with gas, and the compression of the regenerator gas releases the stored energy, regenerates the heat of the thermal engine gas fraction contained in the subsystem (37), taking the gas from the cold temperature (Tf) to the hot temperature (Tq) , and during the isochoric processes (2-3) and (d-a), the transfer of gas mass occurs simultaneously from the subsystem (31) which is at higher pressure, to the subsystem (37) which is at lower pressure, of controlled way, transfer which can be zero, through the mass transfer element (34). 9) “PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO”, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por um processo onde posteriormente os processos isocóricos regenerativos (2-3) e (d-a), ocorre no subsistema (31) com o resfriamento ou arrefecimento, retirada de calor (811), calor este sendo retirado fisicamente do subsistema (31), por meio do trocador de calor (41) junto ao gás do subsistema (31) que se encontra em (33) e o gás manterá a temperatura da fonte fria, de arrefecimento ou resfriamento frio (Tf) e executará um processo isotérmico de compressão (3-4), de forma que o volume do gás no subsistema (31) comprimirá de (V2) para (V1), recebendo trabalho da energia armazenada no elemento de força motriz (312), simultaneamente ocorre no subsistema (37) com a energia, calor, indicado por (810), entrando fisicamente no subsistema (37), por meio do trocador de calor (42) ao gás que se encontra em (35) e o gás manterá a temperatura da fonte quente (Tq) e executará um processo isotérmico de expansão (a-b), de forma que o volume do gás no subsistema (37) expandirá de (V1) para (V2) gerando trabalho, força motriz, no elemento de força motriz (312).9) “CONTROL PROCESS FOR THE THERMODYNAMIC CYCLE OF THE THERMAL ENGINE”, according to claim 6, characterized by a process where subsequently the regenerative isochoric processes (2-3) and (d-a), occur in the subsystem (31) with the cooling or cooling, heat removal (811), heat being physically removed from the subsystem (31), through the heat exchanger (41) next to the subsystem gas (31) which is located in (33) and the gas will maintain the temperature of the cold source, cooling or cold cooling (Tf) and will execute an isothermal compression process (3-4), so that the gas volume in the subsystem (31) will compress from (V2) to (V1), receiving work of the energy stored in the driving force element (312), simultaneously occurs in the subsystem (37) with the energy, heat, indicated by (810), physically entering the subsystem (37), through the heat exchanger (42) at the gas that is found in (35) and the gas will maintain the temperature of the hot source (Tq) and carry out an isothermal expansion process (a-b), so that the volume of gas in subsystem (37) will expand from (V1) to ( V2) generating work, driving force, in the driving force element (312). 10) “PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO”, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por um processo onde posteriormente aos processos isotérmicos (3-4) e (a-b), ocorre no subsistema (31), o processo isocórico de aquecimento (4-1), com o gás contido em uma região isolada do meio externo (32), porém com condução de calor com o regenerador do subsistema (31), sendo que o regenerador é do tipo ativo, com gás, e a compressão do gás do regenerador cede a energia armazenada, regenera o calor da fração do gás do motor térmico contido no subsistema (31), levando o gás da temperatura fria (Tf) para a temperatura quente (Tq), simultaneamente corre no subsistema (37), o processo isocórico de resfriamento (b-c), com o gás em (35) contido em uma região isolada do meio externo através de (36), porém com condução de calor com o regenerador do subsistema (37), sendo que o regenerador é do tipo ativo, com gás e a expansão do gás do regenerador absorve o calor da fração do gás do motor térmico contido no subsistema (37), levando o gás da temperatura quente (Tq) para a temperatura fria (Tf), e durante os processos isocóricos (4-1) e (b-c), ocorre simultaneamente a transferência de massa de gás do subsistema (37) que se encontra com maior pressão, para o subsistema (31) que se encontra com menor pressão, de forma controlada, transferência esta que pode ser zero, através do elemento de transferência de massa (34), finalizando assim os oito processos que formam o ciclo termodinâmico diferencial do motor térmico fundamentado no sistema termodinâmico híbrido.10) “CONTROL PROCESS FOR THE THERMODYNAMIC CYCLE OF THE THERMAL ENGINE”, according to claim 6, characterized by a process where subsequent to the isothermal processes (3-4) and (a-b), occurs in the subsystem (31), the process isochoric heating system (4-1), with the gas contained in a region isolated from the external environment (32), but with heat conduction with the subsystem regenerator (31), and the regenerator is of the active type, with gas, and the compression of the regenerator gas releases the stored energy, regenerates the heat of the thermal engine gas fraction contained in the subsystem (31), taking the gas from the cold temperature (Tf) to the hot temperature (Tq), simultaneously running in the subsystem (37), the isochoric cooling process (b-c), with the gas in (35) contained in a region isolated from the external environment through (36), but with heat conduction with the subsystem regenerator (37), with the regenerator is of the active type, with gas and the expansion of the regenerator gas absorbs the heat from the gas fraction of the thermal engine contained in the subsystem (37), taking the gas from the hot temperature (Tq) to the cold temperature (Tf), and during the isochoric processes (4-1) and (b-c), gas mass transfer occurs simultaneously from the subsystem (37) which is at higher pressure, to the subsystem (31) which is at lower pressure, so controlled, transfer which can be zero, through the mass transfer element (34), thus completing the eight processes that form the differential thermodynamic cycle of the thermal engine based on the hybrid thermodynamic system. 11) “PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO”, de acordo com as reivindicações 1 a 10, caracterizado por um processo de regeneração ativa executado por um regenerador a gás, ativo, cujo ciclo é constituído por um processo adiabático de expansão, absorção de calor (83), e um adiabático de compressão, regeneração (81), e posteriormente de forma integrada ao ciclo do motor (82), forma o ciclo termodinâmico diferencial completo do motor, de forma que o ciclo termodinâmico do regenerador ativo consiste em um processo adiabático de expansão do gás do regenerador, porém com o calor somado do gás do próprio regenerador com o calor da respectiva fração do gás do seu subsistema, absorvendo todo o calor (813), e transferindo sua energia para os elementos mecânicos do regenerador em forma de energia cinética, baixando a temperatura dos gases do motor e do regenerador, ambos, da temperatura quente (Tq) para a temperatura fria (Tf), posteriormente o regenerador devolve o calor (812), isto é, regenera a energia cinética, aquecendo os gases do próprio regenerador e do motor novamente elevando a temperatura de (Tf) para (Tq).11) “CONTROL PROCESS FOR THE THERMODYNAMIC CYCLE OF THE THERMAL ENGINE”, according to claims 1 to 10, characterized by an active regeneration process carried out by an active gas regenerator, whose cycle consists of an adiabatic expansion process , heat absorption (83), and an adiabatic compression, regeneration (81), and later integrated into the engine cycle (82), forms the complete differential thermodynamic cycle of the engine, so that the thermodynamic cycle of the active regenerator consists of an adiabatic process of expansion of the regenerator gas, but with the added heat of the regenerator gas itself with the heat of the respective gas fraction of its subsystem, absorbing all the heat (813), and transferring its energy to the mechanical elements of the regenerator in the form of kinetic energy, lowering the temperature of the engine and regenerator gases, both, from the hot temperature (Tq) to the cold temperature (Tf), subsequently the regenerator returns the heat (812), that is, it regenerates the kinetic energy, heating the gases in the regenerator itself and in the engine again, raising the temperature from (Tf) to (Tq).
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