BR102016019880A2 - Regenerador ativo para motores térmicos e processo de controle para ciclo termodinâmico do regenerador ativo - Google Patents
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Abstract
regenerador ativo para motores térmicos e processo de controle para ciclo termodinâmico do regenerador ativo. refere-se a presente invenção a um regenerador ativo para motor térmico e seu ciclo termodinâmico, mais especificamente trata-se de uma máquina térmica regeneradora de calor sincronizada e controlada por um motor térmico no qual estará agregado que atua no regenerador ativo para que este execute o processo de regeneração do calor. o regenerador ativo tem a função de retirar o calor do gás de trabalho de um motor térmico em uma de suas fases do ciclo termodinâmico, baixando a temperatura do gás, converter e reter esta energia em forma de energia cinética e em fase subsequente do ciclo do motor, reversivelmente regenerar, devolver a energia cinética transformando-a em calor novamente elevando a temperatura do gás de trabalho do motor térmico.
Description
(54) Título: REGENERADOR ATIVO PARA MOTORES TÉRMICOS E PROCESSO DE CONTROLE PARA CICLO TERMODINÂMICO DO REGENERADOR ATIVO (51) Int. Cl.: F02C 3/04; F01L 1/34 (73) Titular(es): ASSOCIACAO PARANAENSE DE CULTURA - APC (72) Inventor(es): MARNO IOCKHECK; LUIS MAURO MOURA; SAULO FINCO (74) Procurador(es): BRASIL SUL MARCAS E PATENTES LTDA.
(57) Resumo: REGENERADOR ATIVO PARA MOTORES TÉRMICOS E PROCESSO DE CONTROLE PARA CICLO TERMODINÂMICO DO REGENERADOR ATIVO. Refere-se a presente invenção a um regenerador ativo para motor térmico e seu ciclo termodinâmico, mais especificamente trata-se de uma máquina térmica regeneradora de calor sincronizada e controlada por um motor térmico no qual estará agregado que atua no regenerador ativo para que este execute o processo de regeneração do calor. O regenerador ativo tem a função de retirar o calor do gás de trabalho de um motor térmico em uma de suas fases do ciclo termodinâmico, baixando a temperatura do gás, converter e reter esta energia em forma de energia cinética e em fase subsequente do ciclo do motor, reversivelmente regenerar, devolver a energia cinética transformando-a em calor novamente elevando a temperatura do gás de trabalho do motor térmico.
2/9 regeneração da energia em motores térmicos. Atualmente os regeneradores são construídos com elementos condutores térmicos e elementos isoladores térmicos estáticos, isto é, a energia é retida apenas através da condução de calor do gás de trabalho do motor térmico para o elemento de armazenamento térmico do regenerador, geralmente sólido, geralmente um metal, e é regenerado pelo mesmo processo, pela condução do calor contido nos elementos do regenerador para o gás novamente. Com este conceito, uma parte considerável da energia não é transferida aos elementos do regenerador, ela segue com o gás e é dissipada, perdida para o ambiente ou fonte fria, o mesmo ocorre na regeneração. Esta característica do regenerador passivo impõe limites na eficiência dos motores térmicos.
OBJETIVOS DA INVENÇÃO [006] Os grandes problemas do estado da técnica estão relacionados à velocidade e à quantidade de energia que os elementos dos regeneradores passivos podem reter para regenerá-los posteriormente, os regeneradores passivos tendem a reduzir a taxa de transferência de energia conforme a temperatura do gás se aproxima da temperatura dos elementos do regenerador, como as dimensões dos elementos são limitadas às condições de projeto e como os parâmetros dos materiais não são ideais, tais condições impactam e limitam a eficiência dos regeneradores.
[007] O objetivo da invenção propõe acelerar e aumentar a taxa de transferência de calor de regeneração através do conceito ativo de troca de calor, isto é, o motor no qual o regenerador está conectado, atua diretamente sobre um elemento mecânico do regenerador o qual executa processos de compressão e expansão de um gás e este absorve parte da energia dos processos de abaixamento da temperatura dos motores térmicos através de processos de expansão do regenerador e os regenera, devolve a energia (calor) nos processos de incremento da temperatura do motor térmico através de processos de compressão. Os processos de compressão e de expansão do regenerador oferecem um diferencial térmico maior que ocorre nos
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3/9 regeneradores passivos e, portanto, a taxa de transferência de calor (energia) será maior e por consequência haverá maior quantidade de energia conservada em se comparando com os regeneradores passivos e este efeito impactará em maior eficiência dos motores térmicos. Outra importante característica do regenerador ativo é a controlabilidade que o mesmo oferece quanto ao momento do ciclo em que ocorrem a captura da energia e sua regeneração, controlabilidade inexistente nos regeneradores passivos, estes dependem apenas do sentido da passagem do gás e de sua temperatura. Os elementos de expansão e compressão do regenerador ativo são acionados pelo motor através de um sistema de transmissão que pode ser controlado por meio mecânico ou eletrônico cujos detalhes não fazem parte desta descrição. [008] A presente invenção traz evoluções importantes para a regeneração de energia (calor), especialmente para utilização em motores térmicos, conservando parte da energia que seria dissipada, mantendo-a no sistema e assim reduzir a perda da eficiência. A propriedade de ser ativo, isto é, ser controlado e acionado externamente, o regenerador ativo gera diferenciais de temperatura fazendo com que o fluxo de calor do motor térmico para o regenerador seja acelerado e vice-versa, aumentando a velocidade (taxa de transferência de calor) e a quantidade de calor conservada quando comparado aos regeneradores passivos.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO [009] O regenerador ativo tem como princípio de funcionamento a expansão e compressão de um gás por meio de um elemento mecânico móvel, controlado ou sincronizado pelo próprio motor em que está conectado ou por um sistema agregado a ele. O regenerador possui uma face para contato térmico com o gás do motor térmico. O regenerador poderá ser construído com materiais e técnicas semelhantes aos utilizados na construção motores convencionais e motores de ciclo Stirling e motores de ciclo diferencial. Por operar com gás, o mesmo deve ser vedado para manter este gás permanentemente confinado nas câmaras de compressão e expansão. O regenerador basicamente possui
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4/9 uma câmara de compressão e expansão a qual é isolada do meio externo, porém com uma face com contato térmico com a câmara ou duto de passagem de gás do motor térmico para o qual opera como regenerador. O regenerador possui ainda um elemento de compressão e expansão, podendo este ser um pistão, diafragma ou turbina, para operar com pistão ele utiliza uma biela ligada a um virabrequim o qual se conecta ao motor para o qual o mesmo regenera a energia. O regenerador opera com gás próprio que captura a energia do gás de trabalho do motor no qual está acoplado e o regenera. O gás de trabalho depende do projeto, de sua aplicação e dos parâmetros utilizados, o gás poderá ser de vários tipos, cada um proporcionará particularidades específicas, como exemplo pode ser sugerido os gases: hélio, hidrogênio, nitrogênio, ar seco, neon, entre outros.
DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [010] As figuras anexas demonstram as principais características e propriedades do regenerador ativo e as inovações propostas, as quais representam:
A figura 1 representa o desenho conceituai do regenerador ativo e os principais elementos que o formam;
A figura 2 mostra o gráfico e as condições mecânicas do processo que representa o processo termodinâmico do regenerador no primeiro ciclo, ou nos primeiros ciclos do sistema quando o mesmo é levado à sua condição inicial para operar em ciclo contínuo na captura e regeneração do calor do motor onde estiver conectado;
A figura 3a mostra separadamente os principais módulos que formam um sistema de aplicação do regenerador ativo, um motor térmico, um sistema de transmissão e o regenerador ativo;
A figura 3b mostra os principais módulos que formam um sistema de aplicação do regenerador ativo, integrados, um motor térmico, um sistema de transmissão, o regenerador ativo e a fonte de energia;
A figura 4a mostra o conjunto montado, motor térmico, sistema de
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5/9 transmissão e o regenerador ativo executando o processo de captura de energia, transferência da energia (calor) do gás de trabalho do motor para o regenerador e respectivo gráfico do processo termodinâmico;
A figura 4b mostra o conjunto montado, motor térmico, sistema de transmissão e o regenerador ativo executando o processo de regeneração de energia, transferência da energia (calor) do regenerador, retornando para o gás de trabalho do motor e respectivo gráfico do processo termodinâmico;
A figura 5 mostra um projeto de aplicação do regenerador ativo com um motor térmico de ciclo Stirling tipo alfa.
DESCRIÇÃO DETALHADA DO INVENTO [011] O regenerador ativo é uma máquina de armazenamento e transferência de calor ativa, isto é, ele retira o calor (energia) de um corpo, sólido, líquido ou gasoso e o regenera, devolve a energia obtida por meio de um controle externo.
[012] A figura 1 mostra os principais componentes que formam o regenerador ativo, o regenerador mostrado por 11, é composto por uma câmara de gás, estanque, de compressão e expansão, 112,composta por um cilindro, 12, este cilindro possui uma face de transferência de calor, 14, pela qual ocorre o fluxo da energia (calor|) entre o gás de trabalho do regenerador e o gás de trabalho do motor térmico externo no qual será conectado, possui uma camada de material isolante térmico, 13, contornando o cilindro para isolar termicamente o gás do meio externo, no interior do cilindro 12, há um elemento mecânico de movimentação, expansão e compressão,do gás interno, indicado por 15, este geralmente é um pistão, um diafragma ou turbina, um eixo de ligação do elemento de movimentação do gás indicado por 16, uma biela ou haste, indicada por 17 caso o gás for movimentado por pistão ou diafragma, um eixo, indicado por 18, com volantes, 19, formando um sistema de transmissão tipo virabrequim, um eixo de ligação da biela com o virabrequim indicado em 110 e o gás de trabalho do regenerador ativo no interior da câmara, 111.
[013] A figura 2 mostra em 21, o regenerador ativo na sua condição
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6/9 comprimida, o gás indicado por 23 está contido na câmara, comprimido, o gráfico com o ciclo do regenerador, mostrando os processos, mostra no detalhe 27, a condição onde o regenerador se encontra no processo de equalização térmica com a temperatura da fonte quente (Tq) para gerar as condições iniciais de trabalho do sistema para operar em conjunto com o motor térmico. Antes do início do processo operacional com o motor térmico, o regenerador possui sua curva termodinâmica conforme o gráfico 25. Considerando apenas o gás de trabalho do regenerador, seu ciclo opera entre os volumes (Va) e (Vb) e entre as temperaturas (Tq) e (Tf). Na sua condição expandida, no volume (Vb) mostrado em 22, o gás de trabalho estará na temperatura fria (Tf), no detalhe mostrado em 28 do gráfico 25. Na sua condição comprimida, no volume (Va) mostrado em 21, o gás de trabalho estará na temperatura quente (Tq), no detalhe mostrado em 27 do gráfico 25 e nestas condições, comprimido no volume (Va) conectado ao motor térmico, este com seu gás de trabalho na temperatura (Tq) é gerada a condição inicial para a operação em ciclo contínuo.
[014] As figuras 3a e 3b mostram como um regenerador ativo pode ser utilizado para formar um sistema com um motor térmico regenerativo. A figura 3a mostra em 31 um modelo de motor térmico ideal formado por um cilindro, um pistão, um conjunto formado por eixos, virabrequim e biela, a mesma figura em 32 mostra um sistema de transmissão e em 11, mostra o regenerador ativo. Na figura 3b é mostrado o sistema montado formando um motor regenerativo, o motor térmico em 31, o regenerador ativo em 11, o sistema de transmissão interligando o motor térmico com o regenerador em 32, um acoplamento térmico entre o regenerador ativo e o motor térmico em 35, a fonte de energia, ora quente, ora fria em 33 e o sentido do fluxo de energia entre as fontes e o motor térmico em 34.
[015] As figura 4a e 4b mostram em detalhes como o sistema formado pelo regenerador ativo e um motor térmico funciona. A curva tracejada indicada por 26 nas figuras 4a e 4b mostra o primeiro ciclo do sistema, onde o regenerador
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7/9 é levado às suas condições iniciais para que possa operar como regenerador ativo, explicado juntamente com a figura 2. As condições iniciais são geradas quando o motor térmico com o gás de trabalho na temperatura quente (Tq) acoplado à fonte, indicada em 41,também na temperatura quente (Tq) leva o regenerador ao estado de compressão para o volume (\/a), nestas condições o fluxo de energia da fonte quente, equalizada termicamente ao gás de trabalho do motor na temperatura (Tq), equaliza-se também ao gás de trabalho do regenerador ativo levando este às suas condições iniciais para operar como regenerador ativo, sob compressão, no volume (\/a) e na temperatura quente (Tq).O processo termodinâmico indicado pela curva 26 o qual leva o regenerador para seu estado inicial de operação é demonstrado pela equação (a) abaixo:
WRa=^.(Tq-Tf) (a) [016] Na equação (a), (I4/Ra) representa o trabalho que o calor produz ao regenerador, (nr) é o número de moles do gás de trabalho do regenerador ativo, (R) é a constante universal dos gases ideais, (Tq) é a temperatura da fonte quente do sistema, (Tf) é a temperatura da fonte fria do sistema e (γ) é o coeficiente de expansão adiabática.
[017] O regenerador no processo regenerativo junto ao motor térmico opera conforme seu ciclo ideal indicado pela curva 43 mostrada na figura 4a e 4b, o processo termodinâmico do regenerador quando em ciclo acoplado ao motor térmico é mostrado pela curva 43.0 processo de transferência da energia do gás de trabalho do motor térmico para o regenerador é mostrado na figura 4a cujo sentido é indicado no gráfico por 44, o gás do regenerador se expande e absorve a energia do gás de trabalho do motor térmico levando ambos para a temperatura (Tf). O processo de regeneração da energia do gás de trabalho do motor térmico é mostrado na figura 4b cujo sentido é indicado no gráfico por 46, o gás do regenerador se comprime e devolve a energia para o gás de trabalho do motor térmico levando ambos para a temperatura (Tq). O processo termodinâmico do regenerador em ciclo com o motor térmico indicado pela
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8/9 curva 43 é demonstrado pela equação (b) abaixo:
vWc = 5¾ (1 - 7) + V - 7) (b) [018] Na equação (b), WRa7-crepresenta o trabalho total no regenerador, o segundo termo da equação representa a energia absorvida e a energia regenerada ao motor térmico. O parâmetronm é o número de moles do gás de trabalho do motor térmico, R é a constante universal dos gases ideais, Tq é a temperatura da fonte quente do sistema, Tf é a temperatura da fonte fria do sistema e y é o coeficiente de expansão adiabática. A figura 4a mostra o fluxo de calor sendo transferido para o regenerador ativo e a figura 4b mostra a regeneração.
[019] O processo termodinâmico de transferência de transferência de energia do gás de trabalho do motor para o regenerador e a regeneração são adiabáticos considerando o sistema formado pelo motor térmico com o regenerador, pois não há troca de energia deste sistema com sua vizinhança nestes processos.
EXEMPLOS DE APLICAÇÕES [020] O regenerador ativo é também uma máquina térmica, porém não foi desenvolvida para gerar trabalho útil, força mecânica em um eixo, ela foi desenvolvida para transportar energia (calor) de um meio externo a ela, este meio externo seria uma câmara de outro motor térmico ou duto de passagem de gás deste motor para seus elementos mecânicos, transformando energia térmica em cinética e posteriormente, na regeneração, transformando reversivelmente a energia cinética em térmica, devolvendo para o gás de trabalho do motor no qual estará acoplada. Na figura 5 é mostrado um sistema formado por um motor térmico e um regenerador ativo. O motor térmico do exemplo poderá ser um motor de ciclo Stirling, o regenerador, indicado em 51, está conectado no duto, indicado em 54, de passagem do gás de trabalho entre os cilindros quente, indicado por 52, e frio, indicado por 53, do motor térmico. O fluxo de energia absorvido e regenerado pelo regenerador ativo é indicado por 55. O cilindro frio do motor térmico, indicado por 53, possui uma geometria
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REGENERADOR ATIVO PARA MOTORES TÉRMICOS E PROCESSO DE CONTROLE PARA CICLO TERMODINÂMICO DO REGENERADOR ATIVO
CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO [001] Refere-se a presente invenção a um regenerador ativo para motor térmico e seu ciclo termodinâmico, mais especificamente trata-se de uma máquina regeneradora de calor sincronizada e controlada por um motor térmico no qual está agregado que atua no regenerador ativo para que este execute o processo de regeneração do calor, a retirada do calor do gás de trabalho do motor térmico em determinada fase de seu ciclo e regenerá-lo em outra fase do ciclo.
ESTADO ATUAL DA TÉCNICA [002] Os regeneradores atuais utilizados em motores térmicos são basicamente construídos com materiais e elementos passivos, são elementos sólidos compostos por condutores e isoladores térmicos em determinada formação geométrica os quais absorvem parte do calor na passagem do gás em um sentido e o devolvem quando o gás retorna em sentido contrário.
[003] A energia, no processo de transferência para os elementos do regenerador, ocorre por condução do calor do gás para os elementos do regenerador, parte da energia continua no gás e é perdida no sistema de arrefecimento do motor e outra parte da energia é devolvida, isto é, regenerada a partir dos elementos do regenerador para o gás do motor e utilizada na continuidade do processo termodinâmico do motor.
[004] Para que toda a energia do gás possa ser regenerada, esta energia deve ser totalmente transferida aos elementos do regenerador, este processo requer dimensões infinitas ao regenerador e seus elementos, condutores e isoladores térmicos, devem ter propriedades ideais. Desta forma, na prática, os regeneradores possuem eficiências na regeneração bem limitadas e impactam diretamente nos limites de eficiência do motor térmico no qual estiver conectado.
[005] O estado atual da técnica apresenta limitações na conservação e
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9/9 própria para dissipar o calor para o meio externo, este é o canal de descarte da energia não aproveitada na conversão. O cilindro quente do motor térmico, indicado por 52, possui um isolamento em parte de sua área para conter a dissipação do calor para o meio externo, mantendo-o dirigido ao gás de trabalho do motor, este cilindro recebe calor de uma fonte externa de energia, esta energia pode ser de diversas fontes distintas, dependendo do projeto do motor térmico, incluindo as fontes renováveis como a termossolar e geotermal.
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Claims (9)
- REIVINDICAÇÕES1) REGENERADOR ATIVO PARA MOTORES TÉRMICOS, caracterizado por uma câmara de gás, estanque, de compressão e expansão, (112), composta por um cilindro, (12), este cilindro possui uma face de transferência de calor, (14), contornado por uma camada de material isolante térmico, (13), um elemento mecânico de movimentação, expansão e compressão, do gás interno, indicado por (15), este geralmente é um pistão, um diafragma ou turbina, um eixo de ligação do elemento de movimentação do gás, (16), uma biela ou haste, (17), um eixo, (18), com volantes, (19), formando um sistema de transmissão tipo virabrequim, um eixo de ligação da biela com o virabrequim, (110), e o gás de trabalho do regenerador ativo no interior da câmara, (111), configurando um sistema fechado reversível, um processo de expansão, (44), e compressão, (46), caracterizando um processo adiabático, (43) para conversão de energia em forma de calor para energia cinética e de regeneração, conversão oposta, energia cinética em calor.
- 2) REGENERADOR ATIVO PARA MOTORES TÉRMICOS, de acordo com a reivindicação 1 .caracterizado por ser composto por uma câmara de gás, (112),com gás a volume variável,(111), estanque, de compressão e expansão, de conversão de energia formada por um cilindro,(12), este com uma camada isolante térmica externa,(13), uma face condutora térmica, (14), um elemento de movimentação e pressurização de gás, (15).
- 3) REGENERADOR ATIVO PARA MOTORES TÉRMICOS, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por possuir uma camada de isolante térmico externo ao cilindro, (13), que forma a câmara de gás, isolando-o do meio externo.
- 4) REGENERADOR ATIVO PARA MOTORES TÉRMICOS, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por possuir uma face condutora térmica no cilindro, (14), que forma a câmara de gás, utilizada para fazer a troca de calor com o motor térmico externo.
- 5) REGENERADOR ATIVO PARA MOTORES TÉRMICOS, de acordo com aPetição 870160047328, de 26/08/2016, pág. 12/232/2 reivindicação 1, caracterizado por possuir um eixo, (18), e volantes, (19), formando um virabrequim para sincronização e controle do processo de regeneração.
- 6) REGENERADOR ATIVO PARA MOTORES TÉRMICOS, de acordo com as reivindicações 1 e 5, caracterizado por possuir uma haste ou biela, (17), unindo o elemento de movimentação de compressão e expansão do gás, (15), ao eixo ou virabrequim, (18).
- 7) “PROCESSO DE CONTROLE PARA CICLO TERMODINÂMICO DO REGENERADOR ATIVO, para o controle do regenerador ativo das reivindicações 1 a 6, caracterizado por um processo executado pelo regenerador ativo,(11), formando um ciclo termodinâmico adiabático,(43), reversível, o qual executa um processo de expansão, (44), de armazenamento de energia e um processo de compressão, (46), de regeneração da energia, devolvendo a energia ao motor térmico ao qual está acoplado.
- 8) “PROCESSO DE CONTROLE PARA CICLO TERMODINÂMICO DO REGENERADOR ATIVO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por um processo de expansão adiabática, (44), de retirada de calor do motor, abaixando a temperatura convertendo a energia térmica em cinética nos seus elementos mecânicos móveis, eixo, virabrequim.
- 9) “PROCESSO DE CONTROLE PARA CICLO TERMODINÂMICO DO REGENERADOR ATIVO, de acordo com as reivindicações 7 e 8, caracterizado por um processo reversível de compressão adiabática, (46), de regeneração, devolução do calor do regenerador para o motor, elevando a temperatura convertendo a energia cinética dos eixos e virabrequim para energia térmica.Petição 870160047328, de 26/08/2016, pág. 13/23Ui
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