BR102018004172A2 - Motor térmico de combustão externa com ciclo composto por um processo isocórico, dois processos isotérmicos e um processo adiabático e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor térmico - Google Patents

Abstract

motor térmico de combustão externa com ciclo composto por um processo isocórico, dois processos isotérmicos e um processo adiabático e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor térmico. refere-se a presente invenção a um motor térmico de combustão externa ou para aproveitamento da energia da exaustão de combustão de qualquer outro processo e seu ciclo termodinâmico de quatro processos fundamentado no sistema termodinâmico fechado, mais especificamente trata-se de uma máquina térmica caracterizada por um único sistema termodinâmico em que opera um ciclo termodinâmico de quatro processos, sendo um processo de aquecimento isocórico, um processo de aquecimento isotérmico, um processo de expansão adiabático e um processo de compressão e resfriamento isotérmico, com gás em circuito fechado.

Description

MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO COMPOSTO POR UM PROCESSO ISOCÓRICO, DOIS PROCESSOS ISOTÉRMICOS E UM PROCESSO ADIABÁTICO E PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO

CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO [0001] Refere-se a presente invenção a um motor térmico de combustão externa ou para aproveitamento da energia da exaustão de combustão de qualquer outro processo e seu ciclo termodinâmico de quatro processos fundamentado no sistema termodinâmico fechado, mais especificamente referente a uma máquina térmica caracterizada por um único sistema termodinâmico em que opera um ciclo termodinâmico de quatro processos, sendo um processo de aquecimento isocórico, um processo de aquecimento isotérmico, um processo de expansão adiabático e um processo de compressão e resfriamento isotérmico, com gás em circuito fechado.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO [0002] 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 a maioria dos ciclos motores conhecidos até o presente.

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2/41 [0003] 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.

[0004] 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 está assim definida: 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 está assim definida: exaustão da combustão ou do fluido de trabalho, gases, resíduos; ao passo que a energia que sai destes sistemas está assim definida: energia mecânica de trabalho e parte do calor dissipado.

[0005] 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 sai deste sistema é a energia mecânica de trabalho e parte do calor

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3/41 dissipado, porém não sai matéria destes sistemas, como ocorre no sistema aberto.

[0006] 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.

O ATUAL ESTADO DA TÉCNICA [0007] 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, Rankine, Stirling, Ericsson, o ciclo teórico ideal de Carnot e o ciclo Brayton o qual também pertence aos sistemas ou aberto ou fechado, porém diferente dos demais, seus quatro processos ocorrem todos simultaneamente.

[0008] A energia interna do gás de trabalho dos motores baseados nos sistemas aberto e fechado não é constante durante o seu ciclo, a equação que representa a energia interna é indicada na equação (a)

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V = Joule (a) [0009] 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 (γ) representa o coeficiente de expansão adiabática.

[0010] Como ocorre sempre um único processo por vez na maioria dos 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.

[0011] O atual estado da técnica que identifica todos os motores até o ano de 2010 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

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5/41 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.

[0012] O atual estado da técnica, até o ano de 2010, compreende uma série de motores de combustão interna e de combustão externa, a maioria destes motores exigem um segundo motor auxiliar para levá-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 convencionais, 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.

[0013] O atual estado da técnica, até o ano de 2010, 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, o Stirling ou o

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Ericsson, também de combustão externa, estes são mais flexíveis quanto à fonte, porém são exigentes quanto à combinação dos parâmetros de projeto.

[0014] O atual estado da técnica, até o ano de 2010, 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.

[0015] O estado atual da técnica, até o ano de 2010, 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 temperaturas superiores a 1000 °C. Os motores de combustão externa ou operante por fontes de calor externas, como de ciclo Rankine e Stirling, normalmente são projetados para operarem com temperaturas do gás de trabalho entre 400 °C e 800 °C. Além dos motores baseados nos sistemas aberto e fechado exigirem na maioria das vezes altas temperaturas para que possam operar, todos eles possuem suas eficiências limitadas ao teorema de Carnot, isto é, suas eficiências máximas dependem exclusivamente das temperaturas conforme definido pela equação (b).

n = i-^ (b) [0016] Na equação (b), (η) é o rendimento, (Tf) é a temperatura da fonte fria e (Tq) é a temperatura da fonte quente, ambas em “Kelvin”.

[0017] Quanto ao “Teorema de Carnot”, quando a análise é feita sob aspecto de energia, passa a ter uma conotação paradoxal, pois a expressão (b) define

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7/41 a eficiência máxima que uma máquina térmica pode ter, e esta afirmação já possui quase 200 anos sem contestação. Porém ao se analisar a origem da afirmação, leva-se em conta a energia que a referida máquina consegue processar e não a real energia disponível na fonte. Pois bem, para a definição da eficiência o “Teorema de Carnot” considera que a energia para determinação da sua eficiência é aquela que o motor processa e não a energia disponível, portanto é paradoxal quando se afirma que a eficiência máxima que um motor pode ter seja a definida pelo “Teorema de Carnot” e pela expressão (b). A série de expressões (c), (d), (e) e (f) demonstram como a teoria vem afirmando equivocadamente a máxima eficiência de um motor por tantos anos. De imediato observa-se que a expressão (c) defendida como energia disponível, não é de fato a energia disponível e sim a energia de entrada no motor, a expressão (c) somente podería ser considerada a energia total disponível se for considerada uma fonte pura de energia, mas se a energia estiver contida em uma massa de matéria, gases de uma combustão, por exemplo, esta afirmação não é verdadeira, porém são as grandes massas de gases quentes que de fato movem o mundo e portanto a afirmação baseada no “Teorema de Carnot” não se presta para este mundo ou são muito limitadas a condições muito específicas. No mundo, atualmente, a maioria das fontes térmicas de energia para movimentar máquinas vem de uma combustão e os motores existentes, e inclusive o motor teórico de Carnot são caracterizados por aproveitar apenas uma fração da parte mais quente da energia e é esta a

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8/41 fração que o Teorema de Carnot usa para chegar à expressão (b) da qual vem se afirmando ser a eficiência máxima.

	í<=)
, = Wml «n.R.T/.Ιοφ	[d)
Λ1.fl Τή.InT;.lti L*i ki	(e)
Tt.R.r^Jn(^)
tq	(0

[0018] A expressão (g) demonstra qual é a real energia disponível na maioria das fontes térmicas em (Watt), ou (Joule/segundo). O parâmetro (FL) é o fluxo do gás da combustão em (kg/s), (cp) é o calor específico a pressão constante do gás da combustão, (Tm) e (Tf) são as temperaturas em Kelvin.

Çdijp - — 7}) (g) [0019] Porém, transformando ambos para (Joule/segundo), ( Qdisp>Win ), portanto existe contida na expressão (g) uma significativa quantidade de energia desconsiderada pela literatura quando ela define a eficiência máxima dos motores térmicos e esta fração significativa é demonstrada pela expressão (h).

Qeítra — íp. (Tq — Tf) (tl)

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9/41 [0020] Desta forma, olhando pelo prisma da energia, a expressão (f) não é verdadeira, ou na melhor das hipóteses, não é completa.

[0021] O estado atual da técnica, até o ano de 2010, 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, esta referência teórica ideal para os motores fundamentados nos sistemas 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.

[0022] O estado atual da técnica, até o ano de 2010, 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

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10/41 clima e meio-ambiente, isto é, são caracterizados pela não sustentabilidade. O sistema termodinâmico sob os quais estes motores são projetados trazem 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), porém o Teorema de Carnot não vem considerando que a maioria das fontes térmicas são constituídas de energia vinculada geralmente a gases e a segunda lei da termodinâmica precisa ser cumprida, mas os processos que caracterizam os ciclos termodinâmicos permitem a utilização de toda a energia dos gases quentes e não uma fração das mesmas, embora evidentemente, apenas uma parcela desta energia pode ser convertida em trabalho útil e a eficiência jamais poderá chegar a 100%.

[0023] 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.

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11/41 [0024] Os demais motores, de ciclo Stirling e Ericsson convencionais, 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 e a energia nestes motores, entram por apenas um dos processos termodinâmicos caracterizando uma densidade de potência por peso relativamente limitada. Portanto são máquinas muito pouco utilizadas para uso industrial ou popular.

[0025] 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, e ainda se for considerada que a energia seja proveniente de uma fonte pura, cuja energia não esteja associada à uma massa, 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.

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12/41 [0026] 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.

[0027] 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.

[0028] 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 faixa estreita de operacionalidade. 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. Assim pode ser descrito o estado da técnica até o ano de 2010.

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13/41 [0029] Em 2011, surgiu um novo conceito de sistema termodinâmico. O estado atual da técnica, recentemente revelou algumas referências que já se encontram com conceitos do sistema híbrido, são motores que apresentam características de possuírem dois ciclos termodinâmicos interdependentes constituindo um ciclo complexo formado na maioria deles 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/BR2014/000381” registrada nos Estados Unidos da América definida como “Máquina térmica diferencial com ciclo de oito transformações termodinâmicas e processo de controle” é constituída por dois subsistemas que operam um ciclo termodinâmico formado por quatro processos isotérmicos de quatro processos adiabáticos. Estas referências diferem da presente invenção não apenas quanto aos processos termodinâmicos que formam seus ciclos, mas também quanto ao sistema termodinâmico no qual é fundamentado, o sistema termodinâmico que caracteriza o motor e cada ciclo oferece ao motor características próprias que diferem uns dos outros. O conceito de sistema termodinâmico híbrido 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

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14/41 motor Otto e o motor Diesel, ambos de combustão interna, são motores fundamentados no sistema termodinâmico aberto, porém constituem motores distintos e o que os distingue são detalhes de seus ciclos termodinâmicos, o ciclo do motor Otto é constituído basicamente por um processo adiabático de compressão, um processo isocórico de combustão, um processo adiabático de expansão e um processo 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 oferece a base para uma nova família de motores térmicos constituídos por dois subsistemas e estes irão operar com ciclos ditos diferenciais caso os motores sejam constituídos por dois subsistemas de conversão de energia, formados por processos onde sempre ocorrerão dois processos simultâneos, cada um terá particularidades próprias as quais caracterizarão cada um dos ciclos-motores. Mas o que fundamenta a presente invenção é o clássico sistema termodinâmico fechado.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO [0030] Os grandes problemas do estado da técnica são, portanto, a dificuldade das tecnologias atuais a atender projetos sustentáveis, em função da dependência de combustíveis fósseis, poluentes, com impactos graves ao ambiente e ao clima, baixa eficiência, limitada exclusivamente às temperaturas,

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15/41 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 levá-los à operação (um motor de partida).

[0031] O objetivo da invenção se concentra em eliminar alguns dos problemas existentes e minimizar outros problemas, porém o maior objetivo é desenvolver novos ciclos-motores que permita o desenvolvimento de motores sustentáveis e de forma que a eficiência dos motores seja uma função da energia disponível da fonte e não mais da energia de entrada do motor e, portanto, fazer com que as fontes de energia possam ser diversificadas e que permitam projetos de motores para ambientes inclusive sem ar (oxigênio). O conceito de sistema fechado, característica própria que fundamenta esta invenção, também oferece boas condições para o aproveitamento da energia provinda de combustão ou de gases ou fluidos quentes, a eficiência de qualquer máquina térmica apresentada pelas literaturas atuais, apresenta eficiências equacionadas a partir da energia específica de entrada no respectivo motor e não se atém à energia real disponível pelas fontes.

[0032] Como o conceito de motor atual que está sendo apresentado possui duas entradas de energia, uma das entradas permite o fluxo da energia mais nobre da fonte, isto é, a energia canalizada através do trocador isotérmico de

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16/41 temperatura mais elevada, e por uma segunda entrada onde os demais ciclos termodinâmicos conhecidos não utilizam, esta entrada compreende um processo isocórico por onde o fluxo da energia tem origem na parte menos nobre da energia dos gases quentes, elevando a temperatura do gás do motor até o nível do processo isotérmico. Desta forma, a eficiência do motor fundamentado no sistema fechado composto por um processo de entrada de energia isocórico, outro processo de entrada de energia isotérmico, um processo de expansão adiabático de energia útil, isto é, não regenerativo e um processo de resfriamento e compressão isotérmico é demonstrada conforme apresentado na equação (i) e figura 8, que demonstra o gráfico da pressão e volume do ciclo.

[0033] Na equação (i), (q) é o rendimento, (Tq) é a temperatura final de aquecimento do processo isocórico e é a temperatura do processo isotérmico de alta temperatura, (Tf) é a temperatura inicial do processo isocórico de aquecimento e é a temperatura do processo isotérmico de resfriamento, baixa temperatura, todas as temperaturas em “Kelvin”, (n) é o número de mol do sistema termodinâmico do motor e é constante em todos os processos que formam o ciclo. A expressão (i) para uma fonte a combustão, é completa e demonstra uma eficiência significativamente maior que a eficiência do ciclo

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Carnot se ambos os ciclos motores estiverem sujeitos a iguais condições alimentados por uma fonte à combustão.

[0034] A dependência de altas temperaturas da maioria dos motores do atual estado da técnica leva também à dependência de combustíveis com alto poder calorífico, dificultando o uso de fontes limpas, as quais normalmente oferecem energia com menor temperatura.

[0035] Os principais ciclos termodinâmicos conhecidos, Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Stirling, Ericsson, Rankine e o ciclo Carnot executam um único processo por vez sequencialmente, conforme mostrado na figura 2, referenciado ao ciclo mecânico dos elementos de força motriz, seu controle é uma função direta da alimentação da fonte de energia, por sua vez, os ciclos diferenciais do sistema híbrido, executam dois processos por vez, mostrados na 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.

[0036] Por outro lado, dentro do conceito de sistema termodinâmico fechado ainda existe a possibilidade da formação de um ciclo assimétrico, de forma que seja possível a construção de um novo motor com propriedades que se aproximam das propriedades de um motor fundamentado no sistema termodinâmico híbrido, e propõe-se então um novo ciclo termodinâmico para motor térmico fundamentado no sistema termodinâmico fechado composto por um processo isocórico de aquecimento o qual utiliza a parte mais fria dos

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18/41 gases quentes de uma exaustão de uma fonte por combustão, um processo isotérmico também de aquecimento o qual utiliza a parte mais quente dos gases, um processo adiabático de expansão de trabalho útil e um processo isotérmico de compressão e resfriamento, e assim teremos um novo motor térmico capaz de processar toda a energia realmente disponível em uma fonte a combustão, ou energia provinda de gases ou outra massa quente.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO [0037] O motor térmico fundamentado no sistema termodinâmico fechado formado por um processo isocórico de aquecimento, um processo isotérmico de expansão e aquecimento, um processo adiabático de expansão e trabalho útil e um processo isotérmico de compressão e resfriamento é caracterizado por ser formado por um único sistema com massa de gás constante em todos os seus processos, representado na figura 1 indicado por 11 e seu ciclo representado genericamente em 12 na figura 2 o qual executa um processo por vez conforme indicado no detalhe por 13 na figura 2. Seu único sistema termodinâmico executa um ciclo referenciado ao ambiente externo e sempre um processo por vez sequencialmente.

[0038] O conceito de sistema termodinâmico fechado é antigo, do início do século XIX, é caracterizado por um único sistema de conversão de energia e por ser fechado há apenas troca de energia entre o ciclo termodinâmico e o ambiente externo, não há troca ou passagem de matéria.

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19/41 [0039] A presente invenção traz 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: maior flexibilidade quanto à fonte da energia (calor), a independência de atmosfera, não necessita de atmosfera para que este motor térmico possa operar, este não apresenta tanta flexibilidade quanto os motores diferenciais quanto às temperaturas, porém em função da variabilidade de parte de seus parâmetros, ele apresenta mais flexibilidade que os motores do sistema fechado atuais e possui características construtivas mais simples que os motores fundamentados no sistema híbrido de ciclos binários e diferenciais.

[0040] O presente motor térmico pode ser projetado para funcionar em uma faixa mais extensa de temperatura em se comparado com a maioria dos motores atuais fundamentados nos sistemas aberto e fechado, inclusive 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 respeitando que os materiais escolhidos para a sua construção tenham as propriedades para executar as suas funções operacionais nas temperaturas de projeto. Embora haja vantagens expressivas deste modelo de ciclo motor, assim como os motores Stirling, Ericsson, Otto, Diesel e Brayton, também exige um motor secundário para a partida. Portanto as vantagens constatadas abrangem maior flexibilidade das fontes em se comparando com os motores do sistema aberto ou fechado, promovendo o uso

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20/41 de fontes limpas e renováveis como as vantagens operacionais, podendo operar teoricamente em largas faixas de temperatura.

[0041] Este motor térmico baseado no conceito de sistema fechado poderá ser construído com materiais e técnicas semelhantes aos motores convencionais de combustão interna e motores de ciclo Stirling e Ericsson de combustão externa, como se trata de um motor que trabalha com gás em circuito fechado, considerando o sistema termodinâmico no qual é fundamentado, isto é, o sistema é formado por câmaras 911 mostrado na figura 18 onde ocorrem os processos termodinâmicos, configurando um sistema termodinâmico fechado, a região, volume 911 que se estende até o topo do pistão 919 são interligados por um canal, este conjunto forma a câmara onde os processos termodinâmicos ocorrem. O volume 911 se encontra limitado por um disco 910 o qual gira e expõe o gás de trabalho aos trocadores de calor 93, 94, 95 e 96. O gás exposto ao trocador 93 executa seu processo isocórico, quando exposto ao trocador 94 que executa seu processo isotérmico, quando exposto ao elemento 96 região isolada, o gás executa o processo adiabático de expansão e quando exposto ao trocador 95 executa seu processo isotérmico de compressão e resfriamento. A figura 18 apresenta uma versão de motor térmico com processos termodinâmicos fixos definidos mecanicamente por meio de um sistema de transmissão mecânico podendo ser por correia dentada 918. O volume sobre o pistão 919 compreende a câmara de expansão e compressão do gás de trabalho e faz parte do elemento de força motriz 922 formando então um sistema termodinâmico fechado o qual executa um ciclo de

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21/41 quatro processos mostrados na figura 8, sendo um processo isocórico de aquecimento (a-b), um processo isotérmico também de aquecimento (b-c), um processo de expansão adiabático (c-d) e um processo isotérmico de compressão e resfriamento (d-a). 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 e Ericsson e Brayton do sistema fechado. 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, os seguintes gases podem ser sugeridos: hélio, hidrogênio, nitrogênio, ar seco, neon, entre outros.

[0042] A câmara de conversão e seus elementos de troca de calor e isolação, itens que caracterizam este motor térmico, poderão ser construídos com diversos materiais, dependendo das temperaturas de projeto, do gás de trabalho utilizado, das pressões envolvidas, do ambiente e condições de operação. Esta câmara possui quatro segmentos e estes devem ser projetados observando a exigência de isolamento térmico entre si para minimizar o fluxo direto de energia a partir das áreas quentes para as frias, esta condição é importante para a eficiência geral do sistema. Esta câmara possui internamente elementos que movimentam o gás de trabalho entre os segmentos de troca de calor, estes elementos podem ser de diversas formas geométricas, depende da

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22/41 exigência e dos parâmetros do projeto, poderá, por exemplo, ser em forma de discos como o elemento indicado por 910 da figura 18, em forma cilíndrica ou outra que permita a movimentação do gás de trabalho de forma controlada entre cada segmento que proporciona os processos termodinâmicos.

[0043] O elemento de força motriz 922 da figura 18 é o responsável por executar o trabalho mecânico e disponibilizá-lo externamente. 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, como o indicado na figura 18, em forma de diafragma ou em outra forma que permita a realização de trabalho a partir das forças do gás durante as conversões termodinâmicas.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0044] As figuras anexas demonstram as principais características e propriedades dos conceitos antigos das máquinas térmicas e as inovações propostas baseadas no sistema termodinâmico fechado e sistema termodinâmico híbrido, sendo representadas conforme segue abaixo:

• A figura 1 representa o conceito de sistema termodinâmico aberto e o conceito de sistema termodinâmico fechado, o conceito básico de ambos é idêntico;

• A figura 2 representa a característica de todos os ciclos termodinâmicos fundamentados nos sistemas aberto e fechado;

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23/41 • 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 binários e diferenciais fundamentados no sistema híbrido;

• A figura 6 mostra o sistema termodinâmico híbrido e um ciclo termodinâmico binário ou diferencial e o detalhe dos dois processos termodinâmicos que ocorrem simultaneamente;

• A figura 7 mostra um dos possíveis modelos para a obtenção da energia por meio de trocadores de calor a partir de uma fonte por combustão;

• A figura 8 mostra o ciclo termodinâmico do motor térmico proposto fundamentado no sistema termodinâmico fechado, mostrando as duas entradas de energia, uma pelo processo isocórico 41 e outra pelo processo isotérmico 42 e o processo de resfriamento 43 o qual ocorre por meio de um processo isotérmico de compressão;

• A figura 9 mostra um modelo mecânico que representa um motor térmico de combustão externa, com os trocadores da câmara capaz de realizar os quatro processos termodinâmicos, isocórico de aquecimento, isotérmico também de aquecimento, adiabático de expansão e trabalho útil e isotérmico de compressão e resfriamento conforme o ciclo mostrado na figura 8;

• A figura 10 mostra o modelo mecânico realizando o início do processo isocórico de aquecimento e o detalhe no gráfico (PxV);

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24/41 • A figura 11 mostra o modelo mecânico realizando a finalização do processo isocórico de aquecimento e o detalhe no gráfico (PxV);

• A figura 12 mostra o modelo mecânico realizando o início do processo isotérmico de expansão e aquecimento e o detalhe no gráfico (PxV);

• A figura 13 mostra o modelo mecânico realizando a finalização do processo isotérmico de expansão e aquecimento e o detalhe no gráfico (PxV);

• A figura 14 mostra o modelo mecânico realizando o início do processo adiabático de expansão e o detalhe no gráfico (PxV);

• A figura 15 mostra o modelo mecânico realizando a finalização do processo adiabático de expansão e o detalhe no gráfico (PxV);

• A figura 16 mostra o modelo mecânico realizando o início do processo isotérmico de resfriamento e compressão e o detalhe no gráfico (PxV);

• A figura 17 mostra o modelo mecânico realizando a finalização do processo isotérmico de resfriamento e compressão e o detalhe no gráfico (PxV);

• A figura 18 mostra em 92 o modelo mecânico de um motor térmico com processos termodinâmicos fixos mecanicamente mostrando os principais elementos com as características que lhe permite executar o ciclo termodinâmico proposto com um processo isocórico de aquecimento, um processo isotérmico também de aquecimento, um processo adiabático de expansão e um processo isotérmico de compressão e

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25/41 resfriamento e em 91 mostra exemplificando como os principais elementos mecânicos do motor podem ser projetados e montados;

• A figura 19 apresenta um diagrama a partir da fonte de energia por combustão, o motor, o ciclo termodinâmico e como o sistema se integra;

• A figura 20 mostra um exemplo de aplicação do motor térmico composto por um ciclo formado por quatro processos, um processo isocórico de aquecimento, um processo isotérmico também de aquecimento, um processo adiabático de expansão e trabalho útil e um processo isotérmico de compressão e descarte da energia não convertida em trabalho formando um sistema combinado, isto é, formando um ciclo combinado com um motor de combustão interna do sistema aberto, indicando especialmente como ocorre a transferência de calor da exaustão no processo isotérmico e como ocorre o aproveitamento do calor da exaustão final, no processo isocórico, demonstrando a vantagem do aproveitamento do calor que este ciclo combinado oferece em comparação com os ciclos combinados tradicionais e que, por analogia, exemplifica também o aproveitamento do calor que este ciclo termodinâmico oferece se aplicado a outros processos a combustão.

DESCRIÇÃO DETALHADA DO INVENTO [0045] O motor térmico constituído por um processo isocórico de aquecimento, um processo isotérmico de expansão e aquecimento, um processo adiabático de expansão e um processo isotérmico de compressão e resfriamento fundamentado no sistema termodinâmico fechado, possui um único sistema

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26/41 termodinâmico assim como os motores Stirling, Ericsson, Rankine, Brayton, Otto Diesel e Carnot, e portanto possui um único sistema de conversão de energia a qual realiza um ciclo termodinâmico que troca calor e trabalho com o meio externo mas não há fluxo de massa entre o sistema termodinâmico e o meio externo e seu modelo genérico é representado pela figura 1. A figura 1 mostra que a massa (m) é constante durante todo o ciclo.

[0046] A figura 2 mostra o ciclo termodinâmico genérico para sistemas termodinâmicos aberto e sistemas termodinâmicos fechado, e para este motor térmico os processos ocorrem um por vez de forma sequencial como mostrado no detalhe em 13 da figura 2.

[0047] O motor térmico fundamentado no sistema termodinâmico fechado constituído por um processo isocórico de aquecimento, um processo isotérmico de expansão e aquecimento, um processo adiabático de expansão e um processo isotérmico de compressão e resfriamento é apropriado para operar com fontes térmicas cuja energia seja transportada por fluidos, como por exemplo uma fonte a combustão onde a energia é transportada por gases quentes, pois seu processo isocórico de aquecimento é utilizado para que o motor possa processar a massa mais fria da combustão, este processo é inexistente na maioria dos ciclos termodinâmicos conhecidos. Afigura 7 mostra em detalhes como ocorre o fluxo da energia a partir de uma fonte a combustão ou uma fonte proveniente de gases quentes da exaustão de uma combustão. A fonte de energia que alimenta o motor é constituída por dois trocadores, um com isonomia térmica 31 e um com um gradiente térmico 33, este representa a

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27/41 imensa maioria das fontes de energia térmica para os motores térmicos da atualidade. A combustão, queima de um combustível, possui na origem a temperatura máxima da chama representada por (Tm) no trocador com isonomia térmica, uma parte da energia da combustão ficará disponível no elemento 36, o qual compõe a fronteira da energia da fonte com a câmara do motor onde se realiza o processo isotérmico de expansão na temperatura (Tq) e a energia que flui para o interior do motor térmico por este processo é representado por 37. A outra parte da energia da combustão estará disponível no elemento 38 o qual compõe o trocador isocórico, isto é, um trocador com um gradiente térmico 33 o qual disponibiliza a energia em um gradiente de temperatura que se encontra entre (Tq), a mesma temperatura do trocador isotérmico, até (Tf) que é a temperatura do ambiente onde o motor se encontra e esta energia é processada, isto é, contribui para a conversão de energia do motor por meio de um processo isocórico de aquecimento representado por 39, e os gases da combustão, então frios 35 na temperatura (Tf) são descartados ao ambiente pelo canal 34. O canal 32 liga a saída dos gases quentes do trocador isotérmico com o trocador isocórico, porém este canal pode não existir, isto é, os trocadores podem ser construídos de forma integrada, um ligado diretamente ao outro sem perder as suas funções, desde que haja um segmento com isonomia térmica 36 e outro com um gradiente térmico 38.

[0048] Diferente de todos os motores conhecidos, este motor térmico tem a propriedade de utilizar, isto é, processar pelo seu ciclo termodinâmico teoricamente toda a energia de uma fonte a combustão.

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28/41 [0049] A figura 8 mostra como o ciclo termodinâmico do motor é formado. A figura 8 mostra o gráfico da pressão e deslocamento volumétrico do ciclo (a-bcd-a) que ocorre no único sistema termodinâmico do motor. A energia 39 do trocador de calor 33 da figura 7 fornece a energia 41 que alimenta o processo isocórico (a-b) do ciclo do motor mostrado na figura 8 neste processo o gás interno do motor terá sua temperatura elevada de (Tf) para (Tq), esta é a energia de exaustão de menor temperatura da fonte, a energia 37 do trocador de calor 31 da figura 7 fornece a energia 42 que alimenta o processo isotérmico de expansão (b-c) do ciclo do motor na temperatura constante (Tq), esta é a energia de maior temperatura da fonte formada por uma câmara de combustão ou por um trocador isotérmico conectado no segmento mais quente da descarga de combustão de uma fonte de calor normalmente por combustão, após o processo isotérmico de aquecimento na temperatura constante (Tq) ocorre o processo adiabático de expansão (c-d) e o gás expande e sua temperatura reduz de (Tq) para (Tf), na sequência ocorre o processo isotérmico de resfriamento e compressão (d-a) na temperatura constante (Tf) cuja energia retirada é indicada por 43 e assim são concluídos os processos do ciclo termodinâmico do motor térmico o qual é mostrado completamente na figura 8.

[0050] A figura 9 mostra o modelo simplificado do motor fundamentado no sistema termodinâmico fechado formado por um único sistema termodinâmico e este motor é formado por um elemento de força motriz 45, um segmento de resfriamento isotérmico 46, um segmento isolado 47, um segmento de aquecimento isotérmico 48, um segmento de aquecimento isocórico 49, sendo

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29/41 que o segmento de resfriamento é constituído por um canal de passagem de fluido de resfriamento 410, sendo que o segmento de aquecimento isotérmico 48 é constituído por uma câmara de combustão e uma entrada de combustível 411, sendo que o segmento de aquecimento isocórico 49 possui um canal de exaustão dos gases da combustão 412, e ainda o motor possui um radiador 413 para resfriamento do segmento de resfriamento isotérmico por meio de um fluido de resfriamento, sendo que o radiador possui uma ventilação forçada por meio de uma ventoinha 414.

[0051] A figura 18 mostra em detalhes o motor fundamentado no sistema termodinâmico fechado constituído por um único sistema termodinâmico, em 92 é mostrado o modelo representativo e em 91 o modelo construtivo com seus principais elementos, de forma que o motor é constituído por um segmento que forma o trocador de calor para o processo de aquecimento isocórico 93, um segmento que forma o trocador de calor para o processo de expansão e aquecimento isotérmico 94, um segmento que forma o trocador de calor para o processo isotérmico de compressão e resfriamento 95, um segmento isolado termicamente para o processo de expansão adiabático 96, um motor de partida 97, um canal para a exaustão dos gases da combustão 98, uma câmara de combustão 99, um disco de transporte de gás, ou conjunto de discos o qual contém o volume de gás para os processos termodinâmicos 910 com a indicação do volume vazado onde o gás é alojado 911, dutos para circulação do fluido de resfriamento 912 do segmento isotérmico de compressão e resfriamento 95, um canal para a entrada de combustível 913, corpo hermético

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30/41 que aloja todos os elementos do motor 914, tampa do corpo hermético que aloja todos os elementos do motor 915, eixo ou virabrequim do motor 916, eixo dos discos 917 com polia que liga os discos 910 ao eixo ou virabrequim do motor, correia dentada 918 para movimento sincronizado do eixo dos discos com o virabrequim do motor utilizado para promover os processos que formam o ciclo termodinâmico indicado por 921, pistão e cilindro do elemento de força motriz 919, elemento de força motriz 922, radiador 923 para resfriamento do segmento do processo isotérmico de compressão e uma ventoinha 924 para o radiador.

[0052] O motor térmico funciona por meio de um fluxo de energia, calor, provido da fonte a combustão ou gases ou fluidos quentes da seguinte forma, o gás de trabalho se mantém permanentemente no interior da câmara que é formada pelo volume 911 do disco, ou conjunto de discos 910 e este volume possui ligação direta, isto é, interconectado ao volume no interior do cilindro do elemento de força motriz 922, mais especificamente sobre o pistão 919, quatro segmentos formam o sistema que gera o ciclo termodinâmico, o trocador de calor isocórico com gradiente térmico 93, o trocador de calor isotérmico quente 94, um segmento isolado termicamente 96 e um trocador de calor isotérmico frio 95. Um motor de partida 97 deve ser acionado, o gás através do disco 910 passa pelo trocador isocórico 93 elevando a temperatura e pressão do gás, o gás ganha energia e o processo isocórico (a-b) ocorre, na sequência o disco 910 conduz o gás para o trocador isotérmico 94 na temperatura quente (Tq) e o pistão avança girando o virabrequim 916 e o processo isotérmico (b-c) ocorre,

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31/41 na sequência o disco 910 conduz o gás para a região isolada formada pelo segmento 96 onde o gás executa uma expansão adiabática e o pistão continua a se movimentar girando o virabrequim 916 e o processo de expansão adiabático (c-d) ocorre, neste instante há energia cinética no eixo do motor, virabrequim 916, e esta energia cinética executa a compressão isotérmica, o disco 910 estará mantendo o gás de trabalho sujeito ao trocador de calor isotérmico 95 de temperatura fria (Tf) e o processo isotérmico (d-a) ocorre, e assim o motor térmico opera e o motor de partida poderá ser desconectado dos eixos de força e o fluxo de calor provindo da fonte a combustão é introduzido no motor por dois processos, um isocórico e outro isotérmico, o motor executa a conversão da energia térmica em trabalho útil e parte da energia não convertida é liberada ao meio externo mais frio através do processo isotérmico de compressão (d-a).

[0053] As figuras 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 e 17 mostram como ocorrem mecanicamente os quatro processos que formam o ciclo termodinâmico do motor térmico, um processo isocórico de aquecimento (a-b), um processo de expansão isotérmico também de aquecimento (b-c), um processo adiabático de expansão e trabalho útil (c-d) e um processo isotérmico de compressão e resfriamento (d-a).

[0054] Para entender os processos que formam o ciclo termodinâmico do motor térmico é necessário observar a figura 18 simultaneamente às figura 10 a 17.

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32/41 [0055] Na figura 10, no início do processo isocórico de aquecimento do gás de trabalho do motor térmico, o gás se encontra passando pelo trocador isocórico, o volume 911 do disco 910 do modelo de motor da figura 18 se encontra passando pelo trocador isocórico 93, o pistão se encontra inicialmente posicionado no volume (V1) no interior de seu cilindro, o gás recebe calor da fonte de energia, especificamente do trocador isocórico e sua temperatura sobe de (Tf) para (Tq). Um canal 51 comunica o gás sob a ação do trocador isocórico com a câmara do elemento de força motriz. A figura 11 mostra o final do processo isocórico de aquecimento. Os detalhes 52 e 53 mostram respectivamente o início e o final do processo isocórico (a-b). A temperatura no ponto (a) é a temperatura fria (Tf) e a temperatura no ponto (b) é a temperatura quente (Tq).

[0056] Na figura 12, no início do processo isotérmico de expansão e aquecimento o gás de trabalho do motor térmico se encontra totalmente exposto ao trocador isotérmico quente, o volume 911 do disco 910 do modelo de motor da figura 18 se encontra inteiramente em frente ao trocador isotérmico 94, o pistão se encontra inicialmente posicionado no volume (V1) no interior de seu cilindro, o gás recebe calor da fonte de energia e sua temperatura se mantém constante em (Tq). Um canal 61 comunica o gás sob a ação do trocador isotérmico com a câmara do elemento de força motriz. A figura 13 mostra o final do processo isotérmico de expansão e aquecimento com o pistão posicionado no volume (V2). Os detalhes 62 e 63 mostram respectivamente o início e o final do processo isotérmico de expansão e

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33/41 aquecimento (b-c). A temperatura no ponto (b) é a temperatura quente (Tq) e a temperatura no ponto (c) também é a temperatura quente (Tq).

[0057] Na figura 14, no início do processo adiabático de expansão e trabalho útil do gás de trabalho do motor térmico, o gás se encontra totalmente exposto ao segmento isolado termicamente, o volume 911 do disco 910 do modelo de motor da figura 18 se encontra inteiramente em frente ao segmento isolado 96, o pistão se encontra inicialmente posicionado no volume (V2) no interior de seu cilindro com o gás na temperatura quente (Tq), o gás não troca calor com o meio externo e sua temperatura esfria enquanto o gás expande transferindo energia para o eixo do motor. Um canal 71 comunica o gás sob a ação do segmento isolado 96 com a câmara do elemento de força motriz. A figura 15 mostra o final do processo adiabático de expansão então com o gás na temperatura (Tf) e o pistão posicionado no volume (V3). Os detalhes 72 e 73 mostram respectivamente o início e o final do processo adiabático de expansão (c-d). A temperatura no ponto (c) é a temperatura quente (Tq) e a temperatura no ponto (d) é a temperatura fria (Tf).

[0058] Na figura 16, no início do processo isotérmico de compressão e resfriamento do gás de trabalho do motor térmico, o gás se encontra totalmente exposto ao trocador isotérmico frio, o volume 911 do disco 910 do modelo de motor da figura 18 se encontra inteiramente em frente ao trocador isotérmico de resfriamento 95, o pistão se encontra inicialmente posicionado no volume (V3) no interior de seu cilindro, o gás cede calor e sua temperatura se mantém constante em (Tf). Um canal 81 comunica o gás sob a ação do trocador

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34/41 isotérmico com a câmara do elemento de força motriz. A figura 17 mostra o final do processo isotérmico de compressão e resfriamento com o pistão posicionado no volume (V1). Os detalhes 82 e 83 mostram respectivamente o início e o final do processo isotérmico de compressão e resfriamento (d-a). A temperatura no ponto (d) é a temperatura fria (Tf) e a temperatura no ponto (a) também é a temperatura fria (Tf) finalizando o ciclo termodinâmico do motor térmico fundamentado no sistema fechado.

[0059] A tabela 1 mostra processo por processo que forma o ciclo de quatro processos do motor térmico de combustão externa mostrado passo a passo, com um processo isocórico de aquecimento, um processo isotérmico também de aquecimento, um processo de expansão adiabático de trabalho útil e um processo de compressão e resfriamento isotérmico.

Tabela 1

Passo	Processo	Descrição
1	a-b	Isocórico de aquecimento · (Entra energia da fonte térmica)
2	b-c	Isotérmico de expansão e aquecimento · (Entrada energia da fonte térmica)
3	c-d	Adiabático de expansão - (Trabalho útil não regenerativo)
4	d-a	Isotérmico compressão e resfriamento - (Reieito de energia)

[0060] Portanto, conforme exposto na tabela 1, o ciclo termodinâmico executado em quatro passos é composto por um processo isocórico de aquecimento, um processo isotérmico também de aquecimento, um processo adiabático de expansão e um processo isotérmico de resfriamento compondo as quatro transformações termodinâmicas, também chamados de processos, que forma o ciclo termodinâmico do motor, sendo um processo ou

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35/41 transformação de aquecimento isocórico (a-b), um processo ou transformação de aquecimento e expansão isotérmica de alta temperatura (b-c), um processo ou transformação de expansão adiabática (c-d), e um processo ou transformação de resfriamento e compressão isotérmica de baixa temperatura (d-a) os quais ocorrem sequencialmente.

[0061] Este ciclo fundamentado no sistema termodinâmico fechado cuja curva da pressão e do volume é indicado na figura 8 são equacionados como segue. O processo isocórico de entrada de energia, aquecimento (a-b) são realizados com (n) mol de gás é representado pela expressão (j), um processo isotérmico de entrada de energia e expansão (b-c) é representado pela expressão (k) com (n) mol de gás, o processos adiabático de expansão (c-d) é realizado com (n) mol de gás, e é representado pela expressão (I), a energia descartada, liberada ao ambiente, ocorre por meio de um processo isotérmico de resfriamento e compressão (d-a) e é representado pela expressão (m). As expressões consideram o sinal do sentido do fluxo das energias.

	(j)
	(k)
(“)·(7 ή	(l)
	(m)

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36/41 [0062] O total de energia de entrada no motor é a soma das energias Q(a-b) e Q(b-c), e é representada pela expressão (n) abaixo:

·⁷’ ^{_ +(n)} [0063] O total de energia dissipada, descartada para o meio exterior é a energia Q(d-a) e na sua forma positiva, é representada pela expressão (o) abaixo.

Ç_o = n.JLT,.lnÇ) <o) ^{f X}1 [0064] O trabalho útil total do motor de combustão externa, considerando um modelo ideal sem perdas, é a diferença entre a entrada e a saída da energia e é representado pela expressão (p) abaixo.

IV_U - + (p) [0065] Portanto, demonstra-se assim que neste ciclo-motor, o processo adiabático de expansão realiza trabalho efetivamente, a energia não é regenerada no processo isocórico, o objetivo é o aproveitamento máximo do calor da combustão ou da energia provinda de uma exaustão de um processo de combustão, portanto o processo isocórico é de aquecimento através dos gases de exaustão liberados do processo de combustão que não teria aproveitamento caso o processo adiabático fosse regenerativo como ocorre no ciclo Carnot por exemplo. Desta forma, o ciclo assimétrico formado por um

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37/41 processo isocórico de aquecimento, um processo isotérmico também de aquecimento, um processo adiabático de expansão e trabalho útil e um processo isotérmico de resfriamento constitui um conceito muito importante e vantajoso para a conversão de energia a partir de fontes por combustão ou por energias provindas de processos de combustão cuja massa de gás quente é desperdiçada pela maioria dos ciclos motores atuais.

[0066] A demonstração final teórica da eficiência deste ciclo de quatro processos, um processo isocórico de aquecimento, um processo isotérmico também de aquecimento, um processo adiabático de expansão e um processo isotérmico de resfriamento é dada pelas expressões (q) e (r), caracterizando que este ciclo fundamentado no sistema termodinâmico fechado porém com dois processos de aquecimento oferece melhor eficiência que os ciclos conhecidos sob o ponto de vista de sistema, isto é, observando a energia e não especificamente a eficiência isolada do motor.

(q) ω

[0067] O controle da potência do motor ocorre através da alimentação e da possibilidade de ajustes variáveis de alguns parâmetros por meio do conjunto polia e correia, mais especificamente através de um processo de adiantar ou atrasar os processos termodinâmicos em relação a posição dinâmica do eixo,

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38/41 virabrequim, do elemento de força motriz. A energia de entrada do motor implica diretamente na potência do mesmo e ocorre através dos processos isotérmico e isocórico e pode ser demonstrado pela equação (s) e (t) e sua unidade é (Watt).

P — Qísüc: L Qisat Qfíisot

P = F_£.c_f. (t, - T_f) + F_L.c_p.(T„_t - T,) - ™.n. R.T_t.Ιηφ <s) (0 [0068] Na equação (t) (FL) é o fluxo do gás da combustão em (kg/s), (cp) é o calor específico a pressão constante do gás da combustão, (Tm), (Tq) e (Tf) são as temperaturas em Kelvin, (n) é o número de mol do gás do motor, (RPM) é a rotação do motor, (60) são os sessenta segundos para obter o número de ciclos por segundo do motor e (V1) e (V3) são parâmetros de volume do motor. É importante observar que o ciclo de um motor ocorre em um tempo determinado e este tempo é o período e para determinar a potência, ou energia em (Joule por segundo), isto é (Watt), é necessário multiplicar o trabalho de um ciclo pelo número de ciclos que ocorre em um segundo, ou para obter a potência de um dos processos que forma o ciclo é necessário multiplicar a energia do referido processo pelo número de vezes que ele ocorre por segundo. Portanto se houver aumento na alimentação do motor, (FL) aumentará e a potência do motor aumentará simultaneamente, e assim o motor térmico passa a ser controlável.

EXEMPLOS DE APLICAÇÕES

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39/41 [0069] Este ciclo-motor assimétrico, baseado no sistema termodinâmico fechado possui particularidades exclusivas, ele é próprio para aplicações cuja fonte de energia opera pela combustão ou pela exaustão de processos de combustão ou por fluidos quentes, aproveitando os gases ou líquidos quentes da exaustão ou de fontes geotérmicas por meio de um processo de aquecimento isocórico e um processo de aquecimento isotérmico do ciclo termodinâmico.

[0070] A primeira aplicação direta do motor é para oferecer força mecânica do tipo estacionária para diversos fins ou para tração mecânica e a fonte de energia seria pela combustão de diversos tipos de combustíveis, com grande flexibilidade de combustíveis em função da combustão ser externa.

[0071] A figura 19 apresenta uma aplicação geral para este motor fundamentado no sistema fechado. Uma fonte por combustão 101 está acoplada a um trocador de calor com isonomia térmica 102, este trocador alimenta o processo termodinâmico isotérmico 107 do ciclo 106 do motor 105, os gases descartados pelo trocador isotérmico passam por um trocador isocórico 103 construído com componentes fragmentados de armazenamento de energia formando um gradiente térmico, como ocorre com os regeneradores dos motores Stirling, e este por sua vez alimenta o processo isocórico 108 do ciclo do motor, um sistema de resfriamento 109 com isonomia térmica em baixa temperatura propicia o processo isotérmico de compressão e descarte de calor 109. Os gases da combustão, então frios, são descartados ao ambiente 104. Esta é uma aplicação típica com boa viabilidade para geração de energia a

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40/41 partir de combustão, gases descartados de processos industriais ou fluidos quentes de fontes termais.

[0072] A figura 20 apresenta outra aplicação útil para o motor fundamentado no sistema termodinâmico fechado composto por processos isocórico e isotérmico de aquecimento, um processo adiabático de expansão e trabalho útil e um processo isotérmico de resfriamento, trata-se de um ciclo assimétrico que oferece melhor aproveitamento do calor de gases quentes e portanto possui propriedades para melhorar a eficiência de motores de combustão interna, formando ciclos combinados com estes. O calor rejeitado pelas exaustões, 1112 e 117 dos motores de combustão interna, indicado por 112, alimentados por combustíveis, 118, de ciclo Brayton, ciclo Diesel, ciclo Sabathe, ciclo Otto, ciclo Atkinson, são canalizados para as entradas de energia (calor) do motor de ciclo assimétrico, isocórico, isotérmico, adiabático e isotérmico, onde uma unidade isotérmica 113 fornece calor à temperatura constante, isotérmica, e outra unidade trocadora de calor 114 fornece energia (calor) entre as temperaturas finais de descarga, isocórica, próxima à temperatura do ambiente e a temperatura inicial de descarga, próxima à temperatura das isotérmicas, promovendo um fluxo de calor 1112 e 117 respectivamente alimentando os processos isotérmicos e isocóricos do motor térmico 111 e este converte parte desta energia em força mecânica útil 1114 que pode ser integrada à força mecânica do motor de combustão interna 1113 gerando uma força mecânica única 119, ou direcionada a produzir energia elétrica. O descarte da energia dos gases quentes que não tenha entrado nos processos de conversão do

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41/41 motor térmico segue para o meio externo indicado por 1115. Esta aplicação permite recuperar parte da energia que os ciclos dos motores de combustão interna não podem utilizar para a realização de trabalho útil e assim melhorar a eficiência geral dos sistemas com vantagens frente às tecnologias conhecidas, especialmente quando comparadas com ciclos combinados formados com Rankine ou Brayton.

Claims (27)

1. REIVINDICAÇÕES

   1) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, caracterizado por ser fundamentado no sistema termodinâmico fechado constituído por um único sistema termodinâmico de forma que o motor é constituído por um segmento que forma o trocador de calor para o processo de aquecimento isocórico (93), um segmento que forma o trocador de calor para o processo de expansão e aquecimento isotérmico (94), um segmento que forma o trocador de calor para o processo isotérmico de compressão e resfriamento (95), um segmento isolado termicamente para o processo de expansão adiabático (96), um motor de partida (97), um canal para a exaustão dos gases da combustão (98), uma câmara de combustão (99), um disco de transporte de gás, ou conjunto de discos (910) o qual contém o volume de gás para os processos termodinâmicos com um volume vazado (911) onde o gás é alojado, dutos para circulação do fluido de resfriamento (912) do segmento isotérmico de compressão e resfriamento (95), um canal para a entrada de combustível (913), corpo hermético que aloja todos os elementos do motor (914), tampa do corpo hermético que aloja todos os elementos do motor (915), eixo ou virabrequim do motor (916), eixo dos discos (917) com polia que liga os discos (910) ao eixo ou virabrequim do motor, correia dentada (918) para movimento sincronizado do eixo dos discos com o virabrequim do motor, utilizado para promover os processos que formam o ciclo termodinâmico (921), pistão e cilindro do elemento de força motriz (919), elemento de força motriz (922), radiador (923)

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   2/6 para resfriamento do segmento do processo isotérmico de compressão e uma ventoinha (924) para o radiador.
2. 2) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um único sistema termodinâmico fundamentado no sistema termodinâmico fechado.
3. 3) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um segmento que forma o trocador de calor para o processo de aquecimento isocórico (93).
4. 4) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um segmento que forma o trocador de calor para o processo de expansão e aquecimento isotérmico (94).
5. 5) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um segmento que forma o trocador de calor para o processo isotérmico de compressão e resfriamento (95).
6. 6) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um segmento isolado termicamente para o processo de expansão adiabático (96).
7. 7) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um motor de partida (97).

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8. 8) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um canal para a exaustão dos gases da combustão (98).
9. 9) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por uma câmara de combustão (99).
10. 10) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um disco de transporte de gás, ou conjunto de discos (910) o qual contém o volume de gás para os processos termodinâmicos com um volume vazado (911) onde o gás é alojado.
11. 11) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por dutos para circulação do fluido de resfriamento (912) do segmento isotérmico de compressão e resfriamento (95).
12. 12) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um canal para a entrada de combustível (913).
13. 13) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um corpo hermético que aloja todos os elementos do motor (914).
14. 14) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por uma tampa do corpo hermético que aloja todos os elementos do motor (915).

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15. 15) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um eixo ou virabrequim do motor (916).
16. 16) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um eixo dos discos (917) com polia que liga os discos (910) ao eixo ou virabrequim do motor.
17. 17) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por uma correia dentada (918) para movimento sincronizado do eixo dos discos com o virabrequim do motor, utilizado para promover os processos que formam o ciclo termodinâmico (921).
18. 18) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um pistão e cilindro do elemento de força motriz (919).
19. 19) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um elemento de força motriz (922).
20. 20) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um radiador (923) para resfriamento do segmento do processo isotérmico de compressão.
21. 21) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por uma ventoinha (924) para o radiador.
22. 22) PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, para o controle do ciclo

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    5/6 termodinâmico do motor térmico das reivindicações 1 a 21, caracterizado por um processo composto por quatro transformações ou chamado também de processos que formam o ciclo termodinâmico do motor térmico, um processo isocórico de aquecimento (a-b), um processo de expansão isotérmico também de aquecimento (b-c), um processo adiabático de expansão e trabalho útil (c-d) e um processo isotérmico de compressão e resfriamento (d-a).
23. 23) PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado por um processo isocórico de aquecimento do gás de trabalho (a-b) onde o gás recebe calor da fonte de energia pelo trocador isocórico e sua temperatura sobe de (Tf) para (Tq).
24. 24) PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado por um processo isotérmico de expansão e aquecimento do gás de trabalho (b-c) onde o gás recebe calor da fonte de energia pelo trocador isotérmico e ele expande movimentando o pistão do elemento de força motriz mantendo sua temperatura constante em (Tq).
25. 25) PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado por um processo adiabático de expansão e trabalho útil do gás de trabalho (c-d) onde o gás permanece isolado termicamente e ele expande movimentando o pistão no interior do cilindro

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    6/6 baixando a temperatura do gás de (Tq) para (Tf) transferindo a energia do gás ao eixo do motor.
26. 26) PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado por um processo isotérmico de compressão e resfriamento do gás de trabalho (d-a) onde o gás cede calor para o sistema de resfriamento, fonte fria, pelo trocador isotérmico frio, e ele comprime através da energia cinética armazenada no eixo, movimentando o pistão do elemento de força motriz reduzindo o volume interno do gás, mas mantendo sua temperatura constante em (Tf).
27. 27) PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA, para o controle do ciclo termodinâmico do motor térmico das reivindicações 1 a 21, caracterizado por um processo de partida do motor térmico através de um motor de partida auxiliar (97), finalizando o processo de controle do motor térmico.