BR102018068965A2

BR102018068965A2 - Motor térmico de ciclo diferencial composto por dois processos isocóricos, dois processos politrópicos, dois processos adiabáticos e dois processos isotérmicos e processo do ciclo termodinâmico do motor térmico

Info

Publication number: BR102018068965A2
Application number: BR102018068965-7A
Authority: BR
Inventors: Marno Iockheck
Original assignee: Vitor Hugo Iockheck; Saulo Finco
Priority date: 2018-09-18
Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2020-03-31

Abstract

"motor térmico de ciclo diferencial composto por dois processos isocóricos, dois processos politrópicos, dois processos adiabáticos e dois processos isotérmicos e processo do ciclo termodinâmico do motor térmico" refere-se a presente invenção a um motor térmico de ciclo diferencial de combustão externa ou para aproveitamento da energia da exaustão de combustão de qualquer outro processo, de processos pirolíticos, ou fluido térmico quente, e seu ciclo termodinâmico de oito processos, dois isocóricos, dois politrópicos, dois adiabáticos e dois isotérmicos com transferência de massa entre subsistemas, fundamentado no sistema termodinâmico híbrido. mais especificamente trata-se de um motor térmico aplicável especialmente em plantas de geração de energia a partir da biomassa, resíduos da agricultura, pecuária, resíduos orgânicos de indústrias, resíduos orgânicos sólidos ou líquidos, urbanos, cujo ciclo termodinâmico processa a energia da combustão ou calor de reações químicas por meio de processos isocóricos e politrópicos do ciclo do motor, que teoricamente tem a propriedade de processar todo o calor da fonte.

Description

MOTOR TÉRMICO DE CICLO DIFERENCIAL COMPOSTO POR DOIS PROCESSOS ISOCÓRICOS, DOIS PROCESSOS POLITRÓPICOS, DOIS PROCESSOS ADIABÁTICOS E DOIS PROCESSOS ISOTÉRMICOS E PROCESSO DO CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO

CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO [001] Refere-se a presente invenção a um motor térmico (figura 9) de ciclo Diferencial de combustão externa ou para aproveitamento da energia da exaustão de combustão de qualquer outro processo, de processos pirolíticos, ou fluido térmico quente, e seu ciclo termodinâmico de oito processos (38), dois isocóricos (a-b), dois politrópicos (b-c), dois adiabáticos (c-d), e dois isotérmicos (d-a), com transferência de massa entre subsistemas, fundamentado no sistema termodinâmico híbrido. Mais especificamente tratase de um motor térmico aplicável especialmente em plantas de geração de energia a partir da biomassa, resíduos da agricultura, pecuária, resíduos orgânicos de indústrias, resíduos orgânicos sólidos ou líquidos, urbanos, cujo ciclo termodinâmico processa a energia da combustão ou calor de reações químicas por meio de processos isocóricos e politrópicos do ciclo do motor, que teoricamente tem a propriedade de processar todo o calor da fonte.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO [002] A termodinâmica clássica define três conceitos de sistemas termodinâmicos, o sistema termodinâmico aberto, o sistema termodinâmico fechado e o sistema termodinâmico isolado. Estes três conceitos de sistemas termodinâmicos foram conceituados no século XIX nos primórdios da criação das leis da termodinâmica e fundamentam a maioria dos ciclos motores conhecidos até o presente.

[003] O sistema termodinâmico isolado é definido como um sistema no qual nem matéria, nem energia passa através dele. Portanto, este conceito de

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 9/51

2/28 sistema termodinâmico não oferece propriedades que permitam o desenvolvimento de motores.

[004] O sistema termodinâmico aberto é definido como um sistema termodinâmico em que energia e matéria podem entrar e sair deste sistema. São exemplos de sistema termodinâmico aberto os motores de combustão interna, de ciclo Otto, de ciclo Atkinson, semelhante ao ciclo Otto, de ciclo Diesel, de ciclo Sabathe, semelhante ao ciclo Diesel, de ciclo Brayton de combustão interna. 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.

[005] O sistema termodinâmico fechado é definido como um sistema termodinâmico em que apenas a energia pode entrar e sair deste sistema. São exemplos de sistema termodinâmico fechado, motores de combustão externa como o de ciclo Stirling, de ciclo Ericsson, de ciclo Rankine com fluido de trabalho em circuito fechado, de ciclo Brayton de calor ou de combustão externa. 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 dissipado, porém não sai matéria destes sistemas, como ocorre no sistema aberto.

[006] Ambos os sistemas, aberto e fechado, como entrada eles possuem no tempo (t1) a temperatura (Tq), a massa (m1) e o número de mol (n1), e na saída, no tempo (t2), ambos possuem a temperatura (Tf), a massa (m1) e o número de mol (n1), a massa é constante, a diferença entre ambos é que no sistema aberto a massa (m1) atravessa o sistema e no sistema fechado, a massa (m1) permanece no sistema, conforme a figura 1.

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 10/51

3/28

O ESTADO ATUAL DA TÉCNICA [007] Os motores conhecidos até o presente são fundamentados em sistemas termodinâmicos aberto ou sistemas termodinâmicos fechado, eles possuem seus ciclos termodinâmicos compostos por uma série de processos sequenciais e independentes, e ocorre um único processo por vez até que o ciclo se complete, 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.

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

U = bbL Joule (a) [009] Na equação (a), (U) representa a energia interna em “Joule”, (n) representa o número de mol, (R) representa a constante universal dos gases perfeitos, (T) representa a temperatura do gás em “Kelvin” e (γ) representa o coeficiente de expansão adiabática.

[010] 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.

[011] O atual estado da técnica que caracteriza todos os motores é caracterizado ainda pela propriedade onde a saída do processo, o trabalho, é

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 11/51

4/28 uma consequência direta da entrada da energia, calor ou combustão, ou seja, quando é necessário mais trabalho, injeta-se mais calor ou se promove mais combustão, todos os processos que formam o ciclo do motor são igualmente influenciados, em outras palavras, os motores são controlados pela alimentação direta. Por exemplo, nos motores de combustão interna, Otto, Diesel, Brayton, para se obter maior potência, injeta-se mais combustível, mais oxigênio e assim se produz mais trabalho, mais rotação. Para se obter maior potência com rotação constante, normalmente utilizam-se caixas de redução ou transformação de rotação. Por analogia, tais tecnologias podem ser comparadas na eletricidade a motores de corrente contínua, estes, para aumentar a potência, aumenta-se a tensão de alimentação do motor.

[012] O atual estado da técnica compreende uma série de motores de combustão interna e de combustão externa, a maioria destes motores exigem um segundo motor auxiliar para levá-los à 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.

[013] O atual estado da técnica compreende uma série de motores, a maioria deles dependentes de condições muito específicas e especiais para operar, por exemplo, os motores de combustão interna, cada um deles exige seu combustível específico, controle fino de combustível, oxigênio e o tempo da combustão e em alguns casos exigem condições específicas inclusive de pressão, a flexibilidade no combustível é bem limitada. Nesta categoria, dos motores fundamentados nos sistemas aberto e fechado, o motor mais flexível é

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 12/51

5/28 o de ciclo Rankine, de combustão externa, o Stirling ou o Ericsson, também de combustão externa, estes são mais flexíveis quanto à fonte, porém são exigentes quanto à combinação dos parâmetros de projeto.

[014] O atual estado da técnica compreende uma série de ciclo motores, a maioria exige combustão, isto é, a queima de algum tipo de combustível, e , portanto, a necessidade de oxigênio.

[015] O estado atual da técnica compreende uma série de ciclo motores, a maioria exige altas temperaturas para operação, os de combustão interna especialmente, costumam operar com o gás de trabalho em temperatura superiores a 1000^oC, geralmente próximo a 2000^oC. Os motores de combustão externa ou operante por fontes de calor externas, como de ciclo Rankine e Stirling, normalmente são projetados para operarem com temperaturas do gás de trabalho entre 400^oC e 800^oC. Além dos motores baseados nos sistemas aberto e fechado exigirem na maioria das vezes altas temperaturas para que possam operar, todos eles possuem suas eficiências limitadas ao teorema de Carnot, isto é, suas eficiências máximas dependem exclusivamente das temperaturas.

[016] O estado atual da técnica, baseado nos sistemas aberto e fechado, compreende basicamente seis ciclos motores e algumas versões destes: o ciclo Otto, de ciclo Atkinson e Miller, semelhantes ao ciclo Otto, de ciclo Diesel, de ciclo Sabathe, semelhante ao ciclo Diesel, de ciclo Brayton, de ciclo Rankine, de ciclo Kalina, semelhante ao ciclo Rankine, de ciclo Stirling, de ciclo Ericsson e o de ciclo Carnot, este 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

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 13/51

6/28 mesma filosofia, unindo-se um motor de ciclo Diesel com um de ciclo Rankine ou ainda um motor de ciclo Otto, também unindo-o com um motor de ciclo Rankine.

[017] O estado atual da técnica apresenta uma série de limitações e oferece também uma série de problemas. A maioria dos motores, como os de combustão interna, de ciclo Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe e Brayton, exigem combustíveis específicos para cada conceito, por exemplo: gasolina, óleo diesel, gás, querosene, e de alto poder calorífico, precisam trabalhar sob altas temperaturas e por consequência, durante muitos anos, vem dependendo de combustíveis fósseis, trazendo danos graves ao clima e meio-ambiente, isto é, são caracterizados pela não sustentabilidade. O sistema termodinâmico sob os quais estes motores são projetados, 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, 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%.

[018] 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

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 14/51

7/28 permanecem. O ciclo combinado continua a ser caracterizado por um motor sob conceito de sistema aberto e um motor sob o conceito de sistema fechado, independentes, ou seja, é classificado como sistema combinado, dois ciclos completamente independentes, não se caracteriza como sistema híbrido.

[019] 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 comercial.

[020] 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 apenas no conceito teórico.

[021] O controle de potência, rotação e torque, dos motores existentes, de ciclo Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Brayton, estes de combustão interna, são

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 15/51

8/28 decorrentes diretamente da alimentação de combustíveis e oxigênio e como resultado oferecem maior rotação e torque simultaneamente. Para haver separação entre o torque e a rotação, eles exigem caixas de velocidade. Estas máquinas não permitem controlabilidade, ou no mínimo, oferecem dificuldades na controlabilidade através de seus ciclos termodinâmicos.

[022] O controle de potência, rotação e torque, dos motores existentes de ciclo Rankine, este de combustão externa, são decorrentes da vazão e da pressão do vapor ou gás de trabalho, e como resultado oferecem variações interdependentes de rotação e torque simultaneamente, não há controlabilidade separada entre torque e rotação.

[023] 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 presente.

[024] Recentemente 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

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 16/51

9/28 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 e quatro processos adiabáticos. Estas referências diferem da presente invenção quanto aos processos termodinâmicos que formam seus ciclos. 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 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 às quais caracterizarão cada um dos ciclos-motores.

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 17/51

10/28

OBJETIVOS DA INVENÇÃO [025] 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, 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).

[026] O objetivo da invenção se concentra em eliminar alguns dos problemas existentes e minimizar outros problemas, porém o maior objetivo é desenvolver um novo motor térmico que permita aplicações com alta eficiência na geração de energia a partir da biomassa, resíduos orgânicos da agricultura, da pecuária, resíduos orgânicos sólidos e líquidos de origem urbana, resíduos orgânicos de processos industriais e biocombustíveis.

[027] Outro objetivo da invenção se concentra na criação de um novo motor térmico que possa ser projetado para operar a partir de combustíveis renováveis, sustentáveis e bem diferentes, alguns em forma sólida, outros em forma líquida, outros em forma de gás e outros variáveis, misturados. Com estas propriedades, teremos um motor inovador, original, qualificado para ser aplicado em projetos sustentáveis em quaisquer lugares do planeta, se adaptando às condições da região onde será utilizado e gerando energia o mais próximo dos consumidores.

[028] Outro objetivo da invenção se concentra em criar um conceito de motor cujos parâmetros permitam alto grau de controlabilidade de potência, torque e

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 18/51

11/28 rotação, que com o emprego de turbos compressores para os processos politrópicos, é possível controlar a transferência de energia ao gás de trabalho de forma que o processo de expansão (b-c) do ciclo, pode ganhar características adiabáticas em uma condição de menor potência, e no outro extremo este processo pode ganhar uma característica quase isotérmica, quando terá a potência máxima.

[029] Como o conceito do motor proposto possui entradas de energia por processos isocóricos e politrópicos, ele utiliza o fluxo da energia mais nobre da fonte através do trocador politrópico de 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 mais alto de temperatura. Desta forma, a eficiência do motor proposto, cuja energia entra por processos isocóricos e politrópicos, terá vantagens substanciais frente aos motores conhecidos, e a figura 8 demonstra no gráfico da pressão e volume do ciclo, estas vantagens.

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

[031] 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

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 19/51

12/28 ser uma consequência do ciclo termodinâmico e não mais o contrário.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO [032] O motor térmico fundamentado no sistema termodinâmico híbrido formado por dois processos isocóricos de aquecimento, dois processos politrópicos de expansão e aquecimento, dois processos adiabáticos de expansão e trabalho útil, e dois processos isotérmicos de compressão e resfriamento, é caracterizado por ser formado por dois subsistemas com transferência de massa de gás, representado na figura 4 e seu ciclo representado genericamente na figura 5, com dois ciclos interdependentes (24) e (25) o qual executa dois processos por vez conforme indicado nos detalhes (26) e (27) na figura 5. Seu sistema termodinâmico duplo executa dois ciclos interdependentes e sempre dois processos por vez.

[033] O conceito de sistema termodinâmico híbrido é novo, do século XXI, é caracterizado por dois subsistemas de conversão de energia ou por um subsistema de conversão e outro de conservação e há troca ou passagem de matéria e sua energia associada entre os subsistemas.

[034] A presente invenção trás evoluções importantes para a conversão de energia térmica em mecânica, seja esta para uso em geração de energia ou outro uso, como força mecânica para movimentação e tração. Algumas das principais vantagens que podem ser constatadas são: maior flexibilidade quanto à fonte da energia (calor), a independência de atmosfera, pois não necessita de atmosfera para que este motor térmico possa operar, embora possa ser utilizada, apresenta flexibilidades quanto às temperaturas, apresenta mais flexibilidades que os motores dos sistemas fechado e aberto, atuais.

[035] O presente motor térmico pode ser projetado para funcionar em uma faixa mais extensa de temperatura se comparado com a maioria dos motores atuais fundamentados nos sistemas aberto e fechado, inclusive pode ser

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 20/51

13/28 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. Portanto as vantagens constatadas abrangem maior flexibilidade das fontes se comparadas com os motores do sistema aberto ou fechado, promovendo o uso de fontes limpas e renováveis como as vantagens operacionais, podendo operar teoricamente em largas faixas de temperatura.

[036] Este motor térmico baseado no conceito de sistema híbrido 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. 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 sistema permite a escolha do gás de trabalho a ser utilizado conforme as características do projeto, de sua aplicação e dos parâmetros utilizados, cada um proporcionará particularidades específicas, como exemplo, os seguintes gases podem ser sugeridos: hélio, hidrogênio, nitrogênio, ar seco, neon, entre outros.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [037] As figuras anexas demonstram as principais características e propriedades dos conceitos antigos das máquinas térmicas e as inovações propostas, sendo representadas conforme segue abaixo:

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 21/51

14/28

A figura 1 representa o conceito de sistema termodinâmico aberto e o conceito de sistema termodinâmico fechado (11), o conceito básico de ambos é idêntico;

A figura 2 representa a característica de todos os ciclos termodinâmicos fundamentados nos sistemas aberto e fechado, o ciclo (12) e processo (13);

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 (22), formado por dois subsistemas, (21) e (23);

A figura 5 representa a característica dos ciclos termodinâmicos diferenciais fundamentados no sistema híbrido, dois ciclos interdependentes (24) e (25) e processos (26) e (27);

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

A figura 7 mostra o ciclo (31) de um dos subsistemas que forma o motor de ciclo Diferencial, a entrada de energia por dois processos (32) e (33), a fase de transferência de massa (36), a fase do recebimento de massa (37), o detalhe do processo de compressão isotérmico (35), uma curva quase adiabática (314) do processo politrópico, o detalhe da variabilidade do parâmetro volumétrico (Vx) e (Vxx), e o rejeito de calor (34);

A figura 8 mostra o ciclo termodinâmico do motor térmico proposto (38) fundamentado no sistema termodinâmico híbrido, mostrando as entradas de energia, uma entrada pelos processos isocóricos (310) e outra pelos processos politrópicos (39) e o rejeito de calor pelos processos de resfriamento (311) o qual ocorre por meio de processos isotérmicos de compressão;

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 22/51

15/28

A figura 9 mostra um modelo mecânico que representa um motor térmico de ciclo Diferencial, com os trocadores das câmaras capazes de realizar os oito processos termodinâmicos, isocóricos de aquecimento, politrópicos também de aquecimento, adiabáticos de expansão e trabalho útil e isotérmicos de compressão e resfriamento conforme o ciclo mostrado na figura 8;

A figura 10 mostra o modelo mecânico com o subsistema (430) realizando o início do processo isocórico de aquecimento (a-b) e o subsistema (431) realizando o início do processo adiabático de expansão (c-d);

A figura 11 mostra o modelo mecânico com o subsistema (430) realizando o início do processo politrópico de aquecimento (b-c) e o subsistema (431) realizando o início do processo isotérmico de compressão e resfriamento (d-a);

A figura 12 mostra o modelo mecânico com o subsistema (430) realizando o início do processo adiabático de expansão (c-d) e o subsistema (431) realizando o início do processo isocórico de aquecimento (a-b);

A figura 13 mostra o modelo mecânico com o subsistema (430) realizando o início do processo isotérmico de compressão e resfriamento (d-a) e o subsistema (431) realizando o início do processo politrópico de aquecimento (b-c);

A figura 14 mostra o modelo mecânico no fim do ciclo ou início do novo ciclo;

A figura 15 mostra o motor térmico concebido para operar a partir da energia contida em fluidos quentes, líquidos ou gases, aplicáveis, por exemplo, em ciclos combinados onde o calor dos gases de uma máquina existente alimentaria o motor de ciclo Diferencial;

A figura 16 mostra o motor térmico (111) conectado a um gerador (112)

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 23/51

16/28 exemplificando um sistema de geração de eletricidade;

A figura 17 mostra um exemplo de aplicação do motor térmico de ciclo Diferencial 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 politrópico 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 [038] A presente patente de invenção está propondo um motor térmico fundamentado no sistema termodinâmico híbrido, cujas propriedades são mostradas nas figuras 4, 5 e 6, constituído por dois subsistemas termodinâmicos (430) e (431), figura 9, onde ocorrem dois ciclos termodinâmicos (312) e (313), figura 8, de quatro processos interdependentes que em conjunto formam um ciclo de oito processos (38), de forma que o subsistema termodinâmico (430) do motor, figura 9, é constituído por uma câmara do processo politrópico de entrada de energia e expansão (42), uma câmara do processo isocórico de entrada de energia (44), uma câmara do processo isotérmico de rejeito de energia e compressão (46), um cilindro de deslocamento de gás (414) e respectivo pistão (413), um cilindro de trabalho (426) e respectivo pistão (412), um turbo compressor do processo politrópico de expansão (411), um turbo compressor do processo isotérmico de compressão (433), uma válvula do processo politrópico de expansão (417), uma válvula do processo isocórico (415), uma válvula do processo isotérmico de compressão (419), uma válvula para transferência de massa (424) e um canal da exaustão do gás da combustão (428), e de forma que o subsistema

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 24/51

17/28 termodinâmico (431) do motor é constituído por uma câmara do processo politrópico de entrada de energia e expansão (41), uma câmara do processo isocórico de entrada de energia (43), uma câmara do processo isotérmico de rejeito de energia e compressão (45), um cilindro de deslocamento de gás (49) e respectivo pistão (410), um cilindro de trabalho (47) e respectivo pistão (48), um turbo compressor do processo politrópico de expansão (425), um turbo compressor do processo isotérmico de compressão (432), uma válvula do processo politrópico de expansão (421), uma válvula do processo isocórico (420), uma válvula do processo isotérmico de compressão (423), uma válvula para transferência de massa (416) e um canal da exaustão do gás da combustão (427), e ambos os subsistemas possuem um canal de resfriamento do processo isotérmico de compressão (429) em comum, e um eixo de força mecânica (427) em comum e de forma que todos os elementos dos subsistemas (430) e (431) do motor estão interligados entre si de modo a permitir a ocorrência dos fenômenos físicos do gás de trabalho o qual gera os processos termodinâmicos que formam o ciclo termodinâmico (38) do motor, quando alimentado por energia (39) e (310), calor ou combustão e cujo resultado é força mecânica no eixo (427).

[039] As câmaras dos processos politrópicos (41) e (42), por si só não são politrópicas, teoricamente elas são isotérmicas. A operação dos turbos compressores (411) e (425) atribuem aos processos (b-c) as características variáveis, entre quase adiabático, quando os turbos compressores não operam, isto é, a troca de calor entre o gás de trabalho é pobre, e quase isotérmicas, quando os turbos compressores operam no máximo com excelente troca de calor entre o gás de trabalho e as câmaras (41) e (42).

[040] O parâmetro volumétrico (V2x) do motor é um parâmetro variável, sua posição é controlada no momento em que as válvulas (417) e (421) dos processos politrópicos, são fechadas e iniciam-se os processos adiabáticos. Não se está propondo nesta proposta de patente o sistema de controle,

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 25/51

18/28 somente suas viabilidades.

[041] A figura 9 mostra como cada um dos elementos estão conectados entre si, formando o motor térmico. No subsistema (430), uma câmara de entrada de energia por combustão ou fluido quente (42) está conectada ao cilindro (426), ao turbo compressor (411), à válvula (417) que em conjunto executam o processo politrópico (b-c) de expansão com o ciclo mostrado na figura 8 e estado mecânico mostrado na figura 11. Um canal une a câmara de entrada (42) a outra câmara (44) e esta, está conectada aos cilindros (414) e (426), à válvula (415) que em conjunto executam o processo isocórico (a-b) com o ciclo mostrado na figura 8 e estado mecânico mostrado na figura 10. Uma câmara (46) de resfriamento do gás de trabalho está conectada aos cilindros (414) e (426), ao turbo compressor (433), à válvula (419) que em conjunto executam o processo isotérmico (d-a) de compressão e resfriamento com o ciclo mostrado na figura 8 e estado mecânico mostrado na figura 13.

[042] Ainda na figura 9, no subsistema (431), uma câmara de entrada de energia por combustão ou fluido quente (41) está conectada ao cilindro (47), ao turbo compressor (425), à válvula (421) que em conjunto executam o processo politrópico (b-c) de expansão com o ciclo mostrado na figura 8 e estado mecânico mostrado na figura 13. Um canal une a câmara de entrada (41) a outra câmara (43) e esta, está conectada aos cilindros (47) e (49), à válvula (420) que em conjunto executam o processo isocórico (a-b) com o ciclo mostrado na figura 8 e estado mecânico mostrado na figura 12. Uma câmara (45) de resfriamento do gás de trabalho está conectada aos cilindros (49) e (47) , ao turbo compressor (432), à válvula (423) que em conjunto executam o processo isotérmico (d-a) de compressão e resfriamento com o ciclo mostrado na figura 8 e estado mecânico mostrado na figura 11.

[043] A figura 15 mostra uma versão do mesmo motor térmico cujos elementos de entrada de energia foram idealizados para que o mesmo possa operar a partir de fluidos quentes, e não diretamente por combustão, como o

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 26/51

19/28 desenho da figura 9. A energia entra por um duto (101), transportado por um fluido térmico, óleo térmico, água, vapor ou gases quentes provindos de outros processos ou de outras máquinas térmicas, passando pelos trocadores (42), (41), (43) e (44), e sendo retirado, sem a energia pelo canal de saída (102). Este modelo de motor, com o mesmo ciclo termodinâmico pode ser empregado em sistemas de cogeração ou em ciclos combinados com outros motores térmicos.

[044] A figura 8 mostra o ciclo termodinâmico completo do motor térmico, composto por dois processos isocóricos de entrada de energia, dois processos politrópicos também de entrada de energia, dois processos adiabáticos de expansão e dois processos isotérmicos de compressão e de resfriamento, rejeito de energia com fases de transferência de massa de gás de trabalho entre os pontos (c) do ciclo para os pontos (a) do ciclo, permitindo a modulação do ciclo, alterando os potenciais das isotérmicas e politróticas, isto é, das pressões (Pa), (Pb), (Pc) e (Pd). Esta particularidade da transferência de massa permite que o motor tenha mais controlabilidade e operando melhor em uma larga faixa de temperatura entre as fontes quentes e frias. Trata-se do único motor térmico conhecido até o presente com a propriedade de utilizar toda a energia de uma combustão ou gases quentes.

[045] Os processos que formam o ciclo deste motor térmico do sistema termodinâmico híbrido são gerados a partir da energia (39) e (310), figura 8, calor de combustão ou outra fonte, nas câmaras de entrada de energia (42), (44), (41) e (43) dos subsistemas termodinâmicos (430) e (431), figura 9, os quais por sua vez geram os fenômenos, isto é, os processos termodinâmicos que constituem o ciclo de oito processos (38), figura 8, sendo que ocorre um ciclo (312) de quatro processos no subsistema (430) e um ciclo (313) de quatro processos no subsistema (431) de forma interdependente, isto é, ambos caracterizam um único ciclo (38) de oito processos sendo que sempre ocorrem dois processos simultâneos por vez, um no subsistema (430) e outro no

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 27/51

20/28 subsistema (431) da seguinte forma, no subsistema (430) em (51), figura 10, a energia (310) entra na câmara (44) e gera o processo isocórico (a-b) do ciclo (312) com o movimento em volume constante dos pistões (413) e (412) dos cilindros (414) e (426), mantendo o gás de trabalho no volume (V1), e simultaneamente ocorre no subsistema (431) em (51), o processo de expansão adiabático (c-d) do ciclo (313) com o movimento do pistão (48) do cilindro (47) do volume (V2x) para o volume (V3), posteriormente aos processos (a-b) do ciclo (312) e (c-d) do ciclo (313) ocorre no subsistema (430) em (61), figura 11, a energia (39) entra na câmara (42) e gera o processo politrópico de expansão (b-c) na temperatura variável de (Tq) para (Tc) do ciclo (312) com o movimento do pistão (412) do cilindro (426) do volume (V1) para o volume (V2x), e simultaneamente ocorre no subsistema (431) em (61), o processo de compressão isotérmico (d-a) na temperatura (Tf) do ciclo (313) com a energia rejeitada pela câmara (45) com o movimento do pistão (48) do cilindro (47) e do pistão (410) do cilindro (49) do volume (V3) para o volume (V1), posteriormente aos processos (b-c) do ciclo (312) e (d-a) do ciclo (313) ocorre no subsistema (430) em (71), figura 12, o processo de expansão adiabático (c-d) do ciclo (312) com o movimento do pistão (412) do cilindro (426) do volume (V2x) para o volume (V3), e simultaneamente ocorre no subsistema (431) em (71), com a energia (310) entrando na câmara (43) a qual gera o processo isocórico (a-b) do ciclo (313) com o movimento em volume constante dos pistões (410) e (48) dos cilindros (49) e (47), mantendo o gás de trabalho no volume (V1), posteriormente aos processos (c-d) do ciclo (312) e (a-b) do ciclo (313) ocorre no subsistema (430) em (81), figura 13, o processo de compressão isotérmico (d-a) na temperatura (Tf) do ciclo (312) com a energia rejeitada pela câmara (46) com o movimento do pistão (412) do cilindro (426) e do pistão (413) do cilindro (414) do volume (V3) para o volume (V1), e simultaneamente ocorre no subsistema (431) em (81) a energia (39) entra na câmara (41) e gera o processo politrópico de expansão (b-c) na temperatura variável de (Tq) para (Tc) do ciclo (313) com o movimento do pistão (48) do cilindro (47) do volume

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 28/51

21/28 (V1) para o volume (V2x), finalizando o ciclo (38) e levando o motor ao seu estado inicial (91), figura 14, o mesmo estado (51) da figura 10, para que o ciclo se repita, gerando os fenômenos continuamente produzindo força mecânica no eixo (427).

[046] Os processos politrópicos e isotérmicos podem ser otimizados se a troca de calor entre as câmaras de combustão (41) e (42) e de resfriamento (45) e (46) com o gás de trabalho for mais eficiente. Os turbos compressores (411), (433), (425) e (432) operam com a função de circuladores do gás, eles fazem com que o gás de trabalho passe várias vezes pelo trocador, durante os processos politrópicos e isotérmicos, assim a transferência de calor das câmaras para o gás e do gás para as câmaras ocorrem mais rápido e o motor terá maior potência e este método permite inclusive motores construídos com cilindros grandes, isto é, motores de alta potência. Portanto, esta proposição prevê processos de aceleração da troca de calor entre as câmaras (42), (46), (41) e (45) e o gás de trabalho pela operação dos turbos compressores (433), (411), (432) e (425) onde os turbos compressores circulam o gás de trabalho entre os cilindros e as câmaras durante os processos politrópicos e isotérmicos.

[047] Esta proposição também prevê um bom grau de controlabilidade que é caracterizado por um conjunto de processos de transferência de massa entre os subsistemas (430) e (431) pelas válvulas (416) e (424) durante os processos isocóricos (a-b) e adiabáticos (c-d), gerando uma modulação dos ciclos, produzindo alterações na diferença de potencial, pressões (Pa), (Pb), (Pc) e (Pd), alterando os potenciais entre as politrópicas e isotérmicas de expansão e compressão.

[048] Conforme descrito nos parágrafos anteriores, as figuras 10, 11, 12, 13 e 14 mostram como ocorrem mecanicamente os oito processos que formam o ciclo termodinâmico do motor térmico, dois processos isocóricos de aquecimento (a-b), dois processos de expansão politrópicos também de

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 29/51

22/28 aquecimento (b-c), dois processos adiabáticos de expansão e trabalho útil (c-d) e dois processos isotérmicos de compressão e resfriamento (d-a).

[049] A tabela 1 mostra processo por processo que formam o ciclo de oito processos do motor térmico de ciclo Diferencial mostrado passo a passo.

Tabela 1

Passo	Subsistema 430 ciclo 312	Subsistema 431ciclo 313	Transferência massa
	Processo	Descrição	Processo	Descrição	Não ocorre
1	a-b	Isocórico	c-d	Adiabático	Ocorre
2	b-c	Politrópico	d-a	Isotérmico	Não ocorre
3	c-d	Adiabático	a-b	Isocórico	Ocorre
4	d-a	Isotérmico	b-c	Politrópico	Não ocorre

[050] Portanto, conforme exposto na tabela 1, o ciclo termodinâmico executado em quatro passos de forma que no subsistema (430) ocorre um ciclo composto por um processo isocórico de aquecimento (a-b), um processo politrópico (b-c) também de aquecimento, um processo adiabático (c-d) de expansão e um processo isotérmico (d-a) de resfriamento compondo as quatro transformações termodinâmicas, e simultaneamente no subsistema (431) ocorre um ciclo composto por um processo adiabático (c-d) de expansão, um processo isotérmico (d-a) de resfriamento, um processo isocórico (a-b) de aquecimento e um processo politrópico (b-c) de aquecimento que em conjunto, ambos os subsistemas (430) e (431), geram o ciclo de oito processos termodinâmicos, sendo ainda que durante os processos isocóricos e adiabáticos, há um processo de transferência de massa de gás de trabalho variável, inclusive podendo ser zero, isto é, o motor pode operar sem a transferência de massa.

[051] Este motor térmico possui propriedades que o caracteriza como um motor que pertence a dois conceitos de sistema termodinâmico, dependendo das condições operacionais de alguns de seus elementos. Em uma condição tal que o processo na condição das válvulas de transferência de massa (416) e

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 30/51

23/28 (424) permanecerem fechadas durante todo o ciclo, o motor térmico passa a operar dentro do conceito de sistema termodinâmico fechado, e não mais no sistema termodinâmico híbrido, passando a ser caracterizado como um dual motor térmico do sistema termodinâmico fechado de duplo ciclo, cada um deles formado por um processo isocórico de aquecimento, um processo politrópico também de aquecimento, um processo adiabático de expansão e um processo isotérmico de compressão e rejeito de calor, caracterizando, portanto, um motor que pertence ao mesmo tempo ao sistema termodinâmico híbrido e ao sistema termodinâmico fechado, dependendo da condição operacional das válvulas (416) e (424).

[052] Este ciclo Diferencial fundamentado no sistema termodinâmico híbrido cuja curva da pressão e do volume é indicado na figura 8 são equacionados como segue. Os processos isocóricos de entrada de energia, aquecimento (ab), de ambos os subsistemas (430) e (431) realizados com (n) mol de gás em cada subsistema é representado pela expressão (b).

Q(a-b) — (Tq ~Tf) ^(b) [053] Nos processos politrópicos de aquecimento, quando os turbos compressores (411) e (425) estiverem na operação máxima, ganham características isotérmicas, não exatamente, apenas no limite, conforme indicado por (315) na figura7, nesta condição a entrada de energia e expansão (b-c) são representadas pela expressão (c) com (n) mol de gás em cada subsistema.

Qjb-,)—2. n.R. 7,. ln(^) (c) [054] Desta forma, a potência do motor pode ser controlada através do regime de trabalho dos turbos compressores (411) e (425), quanto maior a velocidade dos turbos compressores (411) e (425), maior será a potência do motor, pois os processos politrópicos ganham características quase isotérmicas (315), figura

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 31/51

24/28

7, e quanto menor a velocidade, os processos politrópicos ganham características quase adiabáticas conforme mostrado no detalhe (314) na figura

7. O momento de atuação das válvulas (417) e (421) também interferem na potência, quanto mais cedo elas forem fechadas, (V2x) com menor volume, o processo politrópico se encurta e o motor reduz a potência, e quanto mais tarde ela se fecha, (V2x) com maior volume, o processo politrópico se extende e a potência aumenta.

[055] Os processos adiabáticos de expansão (c-d) são realizados com (n) mol de gás em cada subsistema, é são representados pela expressão (d).

W(c-d) = —_y ⁽Tf-T_q) ^(d) [056] A energia descartada, liberada ao ambiente, ocorre por meio dos processos isotérmicos de resfriamento e compressão (d-a) e é representado pela expressão (e).

Q(d-_a) = 2-n.R.T^nÇ) (e) [057] Os processos isotérmicos de compressão e resfriamento são auxiliados pelos turbo compressores (433) e (432) e estes devem operar sempre na velocidade máxima, pois quanto mais frio o processo de compressão isotérmico, maior será a eficiência do motor.

[058] 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 (f) abaixo:

i=(—r)-^(Tc1^-Tf⁾ + ²-ⁿ-^R-^Tq-^ln(^^{) (f)} [059] 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 (g) abaixo.

Q„ = 2.n.R.T_f.^) (g) ^V1

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 32/51

25/28 [060] O trabalho útil total do motor de ciclo Diferencial, é a diferença entre a entrada e a saída da energia e é representado pela expressão (h) abaixo.

^Wu = ~^Tf) ⁺ 2. η.Λ. ^- 2.n.R.T_fAⁿ⁽—-) ^(h) [061] Portanto, demonstra-se assim que neste ciclo-motor, os processos adiabáticos de expansão, realizam trabalho efetivamente, a energia não é regenerada nos processos isocóricos, o objetivo é o aproveitamento máximo do calor da combustão ou da energia provinda de uma exaustão de um processo de combustão, portanto os processos isocóricos são 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 dois processos isocóricos de aquecimento, dois processos politrópicos também de aquecimento, dois processos adiabáticos de expansão e trabalho útil e dois processos isotérmicos 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.

[062] A demonstração final teórica da eficiência deste ciclo de oito processos, dois processos isocóricos de aquecimento, dois processos politrópicos também de aquecimento, dois processos adiabáticos de expansão e dois processos isotérmicos de resfriamento, na condição de massa constante (n1=n2=n), sem transferência, é dada pelas expressões (i) e (j), caracterizando que este ciclo fundamentado no sistema termodinâmico híbrido porém com quatro 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.

M ^Q— ^L Qi (i)

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 33/51

26/28

1-⁷'·^^η / ⁷'· (j) [063] Quando ocorre transferência de massa entre os subsistemas, o número de mol (n) não é cancelado nas equações, neste caso (n1^n2) e a equação da eficiência passa a ser demonstrada pela expressão (k).

T= ¹ ⁿ²· ^Tf· ^ln(g) (k) [064] O controle da potência do motor ocorre através da alimentação e da possibilidade de ajustes variáveis de alguns parâmetros, mais especificamente através de um processo de adiantar ou atrasar os processos termodinâmicos em relação à posição dinâmica do eixo, virabrequim, do elemento de força motriz. A energia de entrada do motor implica diretamente na potência do mesmo e ocorre através dos processos politrópicos e isocóricos e pode ser demonstrado pela equação (l) e (m) e sua unidade é (Watt).

P Qisoc ⁺ Qisot QRisot ^(l)

P = F_l. c_p. (T_q - T_f) + F_l. c_p.(T_m-T_q)-^.2. n. R. T_f. Ιηφ (m) [065] Na equação (m) (F_L) é o fluxo do gás da combustão em (kg/s), (c_p) é o calor específico à 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

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 34/51

27/28 energia do referido processo pelo número de vezes que ele ocorre por segundo. Portanto se houver aumento na alimentação do motor, (F_L) aumentará e a potência do motor aumentará simultaneamente, e assim o motor térmico passa a ser controlável.

EXEMPLOS DE APLICAÇÕES [066] Este ciclo-motor assimétrico, baseado no sistema termodinâmico híbrido possui particularidades exclusivas, ele é próprio para aplicações cuja fonte de energia opera pela combustão ou com o calor da exaustão de processos de combustão ou por fluidos quentes, aproveitando os gases ou líquidos quentes. Por ter um ciclo com entrada de energia por processos isocóricos e politrópicos, trata-se de uma inovação original com vantagens muito expressivas, teoricamente capaz de processar todo o calor da fonte, possuindo eficiência teórica muito superior aos ciclos combinados ou qualquer outro ciclo conhecido da atualidade. Desta forma, uma das principais aplicações deste motor é na geração de energia a partir da biomassa, resíduos da agropecuária, resíduos das indústrias que processam material orgânico, resíduos sólidos e líquidos urbanos, biocombustíveis, biodiesel, etanol, etc.

[067] A figura 16 apresenta uma aplicação geral para este motor. Uma fonte por combustão, podendo ser biogás, resíduos incinerados, ou qualquer fonte por combustão, o calor alimenta os processos do motor (111) e ele gera força mecânica que por sua vez opera um gerador (112). Então este exemplo se aplicaria para plantas de geração de eletricidade de pequeno a grande porte, em cooperativas, fazendas de pecuária, fazendas agrícolas, indústrias que geram resíduos orgânicos, plantas de processamento de resíduos urbanos sólidos e líquidos.

[068] A figura 17 apresenta uma aplicação em um ciclo combinado com um motor convencional (122) de combustão interna, de ciclo Diesel ou Otto de forma que os gases liberados da combustão (123) são canalizados para

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 35/51

28/28 alimentar o motor (121) e este por sua vez gera força motriz que pode ser somada à força motriz do motor principal ou ser utilizada independentemente.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1) MOTOR TÉRMICO DE CICLO DIFERENCIAL, caracterizado por ser fundamentado no sistema termodinâmico híbrido constituído por dois subsistemas termodinâmicos (430) e (431) onde ocorrem dois ciclos termodinâmicos (312) e (313) de quatro processos interdependentes que em conjunto formam um ciclo de oito processos, de forma que o subsistema termodinâmico (430) do motor é constituído por uma câmara do processo politrópico de entrada de energia e expansão (42), uma câmara do processo isocórico de entrada de energia (44), uma câmara do processo isotérmico de rejeito de energia e compressão (46), um cilindro de deslocamento de gás (414) e respectivo pistão (413), um cilindro de trabalho (426) e respectivo pistão (412), um turbo compressor do processo politrópico de expansão (411), um turbo compressor do processo isotérmico de compressão (433), uma válvula do processo politrópico de expansão (417), uma válvula do processo isocórico (415), uma válvula do processo isotérmico de compressão (419), uma válvula para transferência de massa (424) e um canal da exaustão do gás da combustão (428), e de forma que o subsistema termodinâmico (431) do motor é constituído por uma câmara do processo politrópico de entrada de energia e expansão (41), uma câmara do processo isocórico de entrada de energia (43), uma câmara do processo isotérmico de rejeito de energia e compressão (45), um cilindro de deslocamento de gás (49) e respectivo pistão (410), um cilindro de trabalho (47) e respectivo pistão (48), um turbo compressor do processo politrópico de expansão (425), um turbo compressor do processo isotérmico de compressão (432), uma válvula do processo politrópico de expansão (421), uma válvula do processo isocórico (420), uma válvula do processo isotérmico de compressão (423), uma válvula para transferência de massa (416) e um canal da exaustão do gás da combustão (427), e ambos os subsistemas possuem um canal de resfriamento do processo isotérmico de compressão (429) em comum, e um eixo de força mecânica (427) em comum e de forma

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 5/51

2/4 que todos os elementos dos subsistemas (430) e (431) do motor estão interligados entre si.
2) MOTOR TÉRMICO DE CICLO DIFERENCIAL, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por dois subsistemas termodinâmicos (430) e (431) do motor os quais possuem todos os elementos interligados entre si de modo a permitir a ocorrência dos fenômenos físicos do gás de trabalho o qual gera os processos termodinâmicos que formam o ciclo termodinâmico (38) do motor, quando alimentado por energia (39) e (310), calor ou combustão.
3) PROCESSO DO CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO, caracterizado por ser fundamentado no sistema termodinâmico híbrido e gerado a partir da energia (39) e (310), calor de combustão ou outra fonte, nas câmaras de entrada de energia (42), (44), (41) e (43) dos subsistemas termodinâmicos (430) e (431) os quais por sua vez geram os fenômenos, isto é, os processos termodinâmicos que constituem o ciclo de oito processos (38), sendo que ocorre um ciclo (312) de quatro processos no subsistema (430) e um ciclo (313) de quatro processos no subsistema (431) de forma interdependente, isto é, ambos caracterizam um único ciclo (38) de oito processos sendo que sempre ocorrem dois processos simultâneos por vez, um no subsistema (430) e outro no subsistema (431) da seguinte forma, no subsistema (430) em (51), a energia (310) entra na câmara (44) e gera o processo isocórico (a-b) do ciclo (312) com o movimento em volume constante dos pistões (413) e (412) dos cilindros (414) e (426), mantendo o gás de trabalho no volume (V1), e simultaneamente ocorre no subsistema (431) em (51), o processo de expansão adiabático (c-d) do ciclo (313) com o movimento do pistão (48) do cilindro (47) do volume (V2x) para o volume (V3), posteriormente aos processos (a-b) do ciclo (312) e (c-d) do ciclo (313) ocorre no subsistema (430) em (61), a energia (39) entra na câmara (42) e gera o processo politrópico de expansão (b-c) na temperatura variável de (Tq) para (Tc) do ciclo (312) com o movimento do pistão (412) do cilindro (426) do

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 6/51

3/4 volume (V1) para o volume (V2x), e simultaneamente ocorre no subsistema (431) em (61), o processo de compressão isotérmico (d-a) na temperatura (Tf) do ciclo (313) com a energia rejeitada pela câmara (45) com o movimento do pistão (48) do cilindro (47) e do pistão (410) do cilindro (49) do volume (V3) para o volume (V1), posteriormente aos processos (b-c) do ciclo (312) e (d-a) do ciclo (313) ocorre no subsistema (430) em (71), o processo de expansão adiabático (c-d) do ciclo (312) com o movimento do pistão (412) do cilindro (426) do volume (V2x) para o volume (V3), e simultaneamente ocorre no subsistema (431) em (71), com a energia (310) entrando na câmara (43) a qual gera o processo isocórico (a-b) do ciclo (313) com o movimento em volume constante dos pistões (410) e (48) dos cilindros (49) e (47), mantendo o gás de trabalho no volume (V1), posteriormente aos processos (c-d) do ciclo (312) e (a-b) do ciclo (313) ocorre no subsistema (430) em (81) o processo de compressão isotérmico (d-a) na temperatura (Tf) do ciclo (312) com a energia rejeitada pela câmara (46) com o movimento do pistão (412) do cilindro (426) e do pistão (413) do cilindro (414) do volume (V3) para o volume (V1), e simultaneamente ocorre no subsistema (431) em (81) a energia (39) entra na câmara (41) e gera o processo politrópico de expansão (b-c) na temperatura variável de (Tq) para (Tc) do ciclo (313) com o movimento do pistão (48) do cilindro (47) do volume (V1) para o volume (V2x), finalizando o ciclo (38) e levando o motor ao seu estado inicial (91), o mesmo estado (51) para que o ciclo se repita, gerando os fenômenos continuamente produzindo força mecânica no eixo (427).
4) PROCESSO DO CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por um ciclo termodinâmico formado por dois ciclos interdependentes e defasados de forma que cada um dos dois ciclos é composto por um processo de aquecimento isocórico (a-b), um processo de aquecimento e expansão politrópico (b-c), um processo de expansão adiabático e trabalho útil (c-d) e um processo de compressão e rejeito de calor isotérmico (d-a) e com uma fase de transferência de massa

Petição 870190120491, de 20/11/2019, pág. 7/51

4/4 controlada entre os processos adiabáticos e isocóricos.
5) PROCESSO DO CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO, caracterizado por um conjunto de processos de aceleração da troca de calor entre as câmaras (42), (46), (41) e (45) e o gás de trabalho pela operação dos turbos compressores (433), (411), (432) e (425) onde os turbos compressores circulam o gás de trabalho entre os cilindros e as câmaras durante os processos politrópicos e isotérmicos.
6) PROCESSO DO CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO, caracterizado por um conjunto de processos de transferência de massa entre os subsistemas (430) e (431) pelas válvulas (416) e (424) durante os processos isocóricos (a-b) e adiabáticos (c-d), gerando uma modulação dos ciclos, produzindo alterações na diferença de potencial, pressões (Pa), (Pb), (Pc) e (Pd), alterando os potenciais entre as politrópicas e isotérmicas de expansão e compressão.
7) PROCESSO DO CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO, caracterizado por um processo onde na condição das válvulas de transferência de massa (416) e (424) permanecerem fechadas durante todo o ciclo, o motor térmico passa a operar dentro do conceito de sistema termodinâmico fechado, e não mais no sistema termodinâmico híbrido, passando a ser caracterizado como um dual motor térmico do sistema termodinâmico fechado de duplo ciclo, cada um formado por um processo isocórico de aquecimento, um processo politrópico também de aquecimento, um processo adiabático de expansão e um processo isotérmico de compressão e rejeito de calor, caracterizando, portanto, um motor que pertence ao mesmo tempo ao sistema termodinâmico híbrido e ao sistema termodinâmico fechado, dependendo da condição operacional das válvulas (416) e (424).