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 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 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 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 conceitual 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 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 (111) e o gás de trabalho do motor térmico externo no qual será conectado, possui uma camada de material isolante térmico (13) contornando o cilindro (12) para isolar termicamente o gás (111) 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 o regenerador ativo (21) na sua condição 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 (24) 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 (23) 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. O gráfico (25) deixa bem claro que o regenerador sem conexão a um motor, opera um processo ou ciclo adiabático reversível (26) e que na sua condição comprimida (21) no volume (Va), o gás (23) estará na temperatura quente (Tq) mostrado no detalhe (27) e na sua condição expandida (22) no volume (Vb), o gás (24) estará na temperatura fria (Tf) mostrado no detalhe (28) e nas figuras 4a e 4b o regenerador, então acoplado a um motor térmico, passa a operar também por processos adiabáticos, porém operando entre o volume (Va) na temperatura (Tq) e volume (Vc) na temperatura (Tf) em função de estar trocando calor com um volume maior de gás, indicado pela curva (43).
[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, unindo um motor térmico (31) com um regenerador ativo (11), formando um motor regenerativo e um canal (35) por onde ocorre o processo de regeneração, um sistema de transmissão interligando o motor térmico com o regenerador em (32), o canal (35) pode ser entendido também como sendo um acoplamento térmico entre o regenerador ativo e o motor térmico, a fonte de energia, ora quente, ora fria em (33) fornece a energia para o motor térmico (31) operar e o sentido do fluxo de energia entre as fontes e o motor térmico é mostrado em (34).
[015] As figura 4a e 4b mostram em detalhes como o sistema formado pelo regenerador ativo (11) e um motor térmico (31) funciona. A curva tracejada indicada por (26) nas figuras 4a e 4b mostra o primeiro ciclo do sistema, onde o regenerador 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 (31) 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 (Va), 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 (Va) 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:
[016] Na equação (a), (WRa) 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 (ç) é o coeficiente de expansão adiabática.
[017] O regenerador (11) no processo de absorção de energia, calor e no processo regenerativo junto ao motor térmico (31) opera conforme seu ciclo ideal indicado pela curva (43) mostrada na figura 4a e 4b. O processo regenerativo de um motor térmico (31) consiste em retirar e armazenar a energia (42) que passa pelo canal (35) entre o gás do motor e o gás do regenerador, fluxo de calor, em uma fase operacional do ciclo do motor térmico (31) através de um regenerador (11) e devolver a mesma energia (45) em outra fase do ciclo operacional do motor térmico pelo regenerador (11) e isto deve ocorrer ciclicamente conforme o motor térmico opera e este processo pode ser descrito da seguinte forma passo a passo, no momento em que o motor térmico (31) finalizou seu processo de realização de trabalho com seu gás interno (47) na temperatura quente (Tq), o regenerador (11) inicialmente com seu gás interno (48) também na temperatura (Tq) comprimido a um volume (Va), o regenerador (11) expande seu gás (47) para um volume (Vc) por meio de um processo adiabático de expansão (44), esta expansão (44) do gás gera trabalho, em outras palavras transfere energia mecânica para o eixo (18) e volante (19) do regenerador (11), energia cinética, e esta expansão (44) é adiabática sendo que o gás (48) do regenerador (11) esfria retirando também todo o calor do gás (47) do motor (31), a temperatura do gás do motor térmico e do regenerador, ambas mudam de (Tq) para (Tf) e toda a energia do gás estará em forma de energia mecânica cinética no eixo (18) e volante (19) do regenerador (11), após o processo adiabático (44) de expansão e transferência de energia, calor, do motor térmico (31) para o regenerador (11), ocorre o processo de regeneração, devolução da energia que se encontra no regenerador (11) para o motor térmico (31) no momento, isto é, na fase do ciclo em que o gás de trabalho (49), figura 4b, do motor térmico necessita de calor para repetir seu ciclo, então neste momento, na figura 4b, o gás de trabalho (49) do motor térmico e o gás de trabalho (410), do regenerador, ambos estarão na temperatura fria (Tf), e a energia cinética do eixo (18) e volante (19) do regenerador comprimirão o gás (410) inicialmente no volume (Vc) para o volume (Va) em um processo adiabático (46) de forma que o gás aumentará a temperatura de (Tf) para (Tq), devolvendo, regenerando a energia para o motor térmico (31), e o gás do regenerador (11) e do motor térmico (31), ambos estarão na temperatura quente (Tq), finalizando o ciclo termodinâmico do regenerador ativo. O 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 curva (43) é demonstrado pela equação (b) abaixo:
[018] Na equação (b), WRaTc representa o trabalho total no regenerador, o segundo termo da equação representa a energia absorvida e a energia regenerada ao motor térmico. O parâmetro nm 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 ç 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 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.