BRPI0712746A2 - Method and device for converting thermal energy into mechanical work - Google Patents
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Abstract
Description
"MÉTODO E DISPOSITIVO PARA CONVERSÃO DE ENERGIA TÉRMICA EM TRABALHO MECÂNICO""METHOD AND DEVICE FOR THERMAL POWER CONVERSION IN MECHANICAL WORK"
A presente invenção refere-se a um método e um dispositivo para conversão de energia térmica em trabalho mecânico.The present invention relates to a method and a device for converting thermal energy into mechanical work.
São conhecidos muitos tipos de processos em ciclo e dispositivos que servem para converter energia térmica em trabalho mecânico e, eventualmente, em outra seqüência, em corrente elétrica. Neste caso se trata de, por exemplo, processos a força de vapor, processos de Sterling ou similares. Uma possibilidade do uso de tal método consiste em elevar o grau de eficácia do motor de combustão, na medida em que o calor dissipado é submetido a um aproveitamento. Todavia, neste caso é problemático que os níveis de temperatura que são disponíveis são relativamente desfavoráveis, pois o circuito de resfriamento do motor de combustão trabalha usualmente em temperaturas que estão situadas aproximadamente em 100 °C. Um problema semelhante consiste, então, quando calor proveniente de instalações solares deve ser convertido em trabalho mecânico.Many types of cycle processes and devices are known which serve to convert thermal energy into mechanical work and eventually in another sequence into electrical current. These are, for example, steam-powered processes, Sterling processes or the like. One possibility of using such a method is to increase the efficiency of the combustion engine as the dissipated heat is subjected to utilization. However, in this case it is problematic that the temperature levels that are available are relatively unfavorable since the combustion engine cooling circuit usually works at temperatures which are approximately 100 ° C. A similar problem, then, is when heat from solar installations must be converted to mechanical work.
Uma solução especial para um tal processo térmico está indicada no WO 03/081011 A. Nesta publicação é descrito um método em que, por meio de aquecimento de um meio de trabalho em vários acumuladores de bolhas, um meio hidráulico é colocado sob pressão, o qual é processado em uma máquina de trabalho. Embora um tal método seja basicamente funcional, foi evidenciado que o grau de eficiência é modesto e o dispêndio em aparelhos é relativamente grande em relação à quantidade de energia que pode ser gerada.A special solution for such a thermal process is indicated in WO 03/081011 A. In this publication a method is described wherein, by heating a working medium in various bubble accumulators, a hydraulic medium is put under pressure, the which is processed on a working machine. Although such a method is basically functional, it has been found that the efficiency is modest and the expenditure on apparatus is relatively large in relation to the amount of energy that can be generated.
Ainda, da US 3.803.847 A é conhecido um método que opera de forma descontínua, o qual, com grau de eficiência modesto, pode produzir trabalho por meio da conversão de calor.Also, from US 3,803,847 A is known a discontinuous method which, with modest efficiency, can produce work by heat conversion.
O objetivo da presente invenção é o de configurar um método do tipo acima descrito, de tal maneira, que também sob pressuposições termicamente desfavoráveis, um alto grau de eficiência pode ser alcançado, em que ar quantidade em aparelhos é tão reduzida quanto possível.The object of the present invention is to configure a method of the type described above such that, also under thermally unfavorable assumptions, a high degree of efficiency can be achieved, whereby the amount in apparatus is as small as possible.
De acordo com a invenção, um tal método consiste das seguintes etapas que são realizadas como um ciclo:According to the invention, such a method consists of the following steps which are performed as a cycle:
alimentação de um meio de trabalho líquido de um reservatório de armazenamento para um recipiente de trabalho;feeding a liquid working medium from a storage reservoir to a working container;
aquecimento do meio de trabalho no recipiente de trabalho por meio de um primeiro trocador de calor;heating the working medium in the working container by means of a first heat exchanger;
deixar fluir uma quantidade parcial do meio de trabalho do recipiente de trabalho para um conversor pneumático-hidráulico, com o que um meio hidráulico do conversor pneumático-hidráulico para uma máquina de trabalho é pressionado, para converter o trabalho hidráulico do meio hidráulico em trabalho mecânico; recondução do meio de trabalho do conversor pneumático- hidráulico para o reservatório de armazenamento, na medida em que meio hidráulico é reconduzido para o conversor pneumático- hidráulico.allow a partial amount of working medium to flow from a working container to a pneumatic-hydraulic converter, whereby a hydraulic medium from the pneumatic-hydraulic converter to a working machine is pressed, to convert hydraulic work from hydraulic to mechanical work ; return the working medium from the pneumatic-hydraulic converter to the storage tank as hydraulic medium is returned to the pneumatic-hydraulic converter.
Na primeira etapa, um meio de trabalho, que em uma curva de pressão de vapor conveniente, tal como, por exemplo, Rl 34a, isto é, a figura, é retirado de um reservatório de armazenamento. Neste reservatório de armazenamento, o meio de trabalho está presente em um estado de equilíbrio entre uma fase líquida e fase gasosa. A pressão é, neste caso, selecionada de tal maneira que este equilíbrio é mantido. No caso de Rl 34a e uma temperatura ambiente de aproximadamente 20 0C, esta primeira pressão é de aproximadamente 6 bar. O meio de trabalho é transferido para um recipiente de trabalho, no qual preferivelmente reina uma segunda pressão mais alta. A segunda pressão está situada, por exemplo, em 40 bar. O gasto de energia para a transferência pode ser minimizado quando, em uma maneira preferida, somente meio de trabalho líquido é bombeado em ciclo para o recipiente de trabalho.In the first step, a working medium which at a convenient vapor pressure curve, such as, for example, R344, that is, the figure, is taken from a storage reservoir. In this storage reservoir, the working medium is present in a state of equilibrium between a liquid phase and a gas phase. The pressure is in this case selected such that this equilibrium is maintained. In the case of R134a and an ambient temperature of approximately 20 ° C, this first pressure is approximately 6 bar. The working medium is transferred to a working container, in which preferably a second higher pressure reigns. The second pressure is, for example, at 40 bar. Energy expenditure for the transfer can be minimized when, in a preferred manner, only liquid working medium is cycled to the working container.
Na segunda etapa, o meio de trabalho no recipiente de trabalho é aquecido. Por meio do aquecimento, a pressão é ainda mais aumentada e o meio de trabalho é parcialmente evaporado. O aquecimento é efetuado preferivelmente por meio de calor perdido, por exemplo, a partir de um motor de combustão com combustão interna. Quando de um aquecimento para 100 °C, o calor perdido pode ser aproveitado de forma ótima.In the second step, the working medium in the working container is heated. By heating, the pressure is further increased and the working medium is partially evaporated. The heating is preferably effected by means of lost heat, for example from an internal combustion combustion engine. When heating to 100 ° C, the lost heat can be optimally utilized.
Na terceira etapa, o meio de trabalho é deixado fluir para um conversor pneumático-hidráulico. Isto pode ser temporalmente efetuado depois da segunda etapa, isto é, que inicialmente o calor é totalmente alimentado e em seguida a conexão entre o recipiente de trabalho e o conversor pneumático-hidráulico é estabelecida. Todavia, também uma simultaneidade parcial ou total dessas etapas pode existir, isto é, que o meio no recipiente de trabalho é aquecido durante o transbordo para o conversor pneumático-hidráulico. Desta maneira, o grau de eficiência pode ser otimizado, pois o resfriamento que ocorre por meio da expansão do meio de trabalho é imediatamente compensado. Além disto, o tempo de ciclo é reduzido. No conversor pneumático-hidráulico, o qual, por exemplo, é realizado como acumulador de bolhas, o meio de trabalho afluente desloca um meio hidráulico que está presente no espaço hidráulico, o qual é processado em uma máquina de trabalho apropriada, por exemplo, um motor hidráulico, para produzir um trabalho mecânico, o qual, novamente, por exemplo, pode ser aproveitado para a geração de energia elétrica.In the third step, the working medium is allowed to flow to a pneumatic-hydraulic converter. This can be done temporarily after the second step, that is, initially the heat is fully fed and then the connection between the working container and the pneumatic-hydraulic converter is established. However, also a partial or total simultaneity of these steps may exist, that is, the medium in the working vessel is heated during the overflow to the pneumatic-hydraulic converter. In this way, the degree of efficiency can be optimized as the cooling that occurs through the expansion of the working medium is immediately compensated. In addition, the cycle time is reduced. In the pneumatic-hydraulic converter, which, for example, is realized as a bubble accumulator, the affluent working medium displaces a hydraulic medium that is present in the hydraulic space, which is processed in a suitable working machine, for example a hydraulic motor, to produce a mechanical work, which again, for example, can be harnessed for the generation of electric power.
Na quarta etapa, o conversor pneumático-hidráulico é novamente cheio com o meio hidráulico através de uma pequena bomba, sendo que o meio de trabalho e deslocado e é reconduzido para o reservatório de armazenamento. Eventualmente, o meio de trabalho, neste caso, é conduzido através de um segundo trocador de calor, a fim de poder realizar uma adaptação de temperatura à temperatura ambiente. Depois desta quarta etapa, o processo de ciclo é ulteriormente conduzido com a primeira etapa.In the fourth step, the pneumatic-hydraulic converter is again filled with the hydraulic medium by means of a small pump, the working medium being moved and returned to the storage reservoir. Eventually, the working medium in this case is driven through a second heat exchanger in order to be able to perform a temperature adaptation to the ambient temperature. After this fourth step, the cycle process is further conducted with the first step.
O grau de eficiência e a capacidade de potência da instalação podem ser otimizados, quando as possíveis transições de fase são 5 correspondentemente aproveitadas. Em particular, o meio de trabalho deve ser, na primeira etapa, exclusivamente movimentado no estado fluido, enquanto na terceira etapa somente a fase gasosa é transferida para o conversor pneumático-hidráulico.The efficiency and power capacity of the installation can be optimized when possible phase transitions are correspondingly tapped. In particular, the working medium must be, in the first stage, exclusively moved in the fluid state, while in the third stage only the gas phase is transferred to the pneumatic-hydraulic converter.
Preferivelmente é previsto que, durante a recondução do meio 10 de trabalho do conversor pneumático-hidráulico para o reservatório de armazenamento, a conexão entre o recipiente de trabalho e o conversor pneumático-hidráulico seja interrompida. Desta maneira, perdas por transbordamento podem ser minimizadas.It is preferably provided that during the reworking of the working means 10 from the pneumatic-hydraulic converter to the storage reservoir, the connection between the working vessel and the pneumatic-hydraulic converter is interrupted. In this way, overfill losses can be minimized.
Uma otimização do grau de eficiência é possível, quando o 15 meio de trabalho é resfriado na alimentação do reservatório de armazenamento para o recipiente de trabalho. O resfriamento pode ser efetuado por meio de um trocador de calor de ambiente, também um usual refrigerador; todavia, é também possível utilizar a potência frigorífica do segundo trocador de calor, desde que a energia do frio não seja de outra 20 maneira requerida, por exemplo, para uma instalação de condicionamento de ar ou um sistema de refrigeração.An optimization of efficiency is possible when the working medium is cooled in the feed from the storage reservoir to the work container. The cooling can be done by means of a room heat exchanger, also a usual cooler; however, it is also possible to use the refrigerating power of the second heat exchanger, provided that the cold energy is not otherwise required, for example for an air conditioning installation or a cooling system.
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E especialmente vantajoso quando o meio hidráulico é mantido em uma temperatura que corresponde à temperatura média do meio de trabalho no conversor pneumático-hidráulico. Desta maneira, indesejados 25 efeitos de compensação de temperatura podem ser evitados.It is especially advantageous when the hydraulic medium is maintained at a temperature corresponding to the average working medium temperature in the pneumatic-hydraulic converter. In this way unwanted temperature compensation effects can be avoided.
Como já mencionado, é possível que o meio de trabalho do conversor pneumático-hidráulico seja conduzido através de um segundo trocador de calor. Dependendo da condução do método, neste caso, no segundo trocador de calor podem surgir baixas temperaturas que são produzidas por meio da expansão do meio de trabalho. Estas baixas temperaturas podem ser usadas para o resfriamento, a fim de economizar a energia ali requerida.As already mentioned, it is possible that the working medium of the pneumatic-hydraulic converter is driven through a second heat exchanger. Depending on the conduction of the method, in this case, in the second heat exchanger may appear low temperatures that are produced by the expansion of the working medium. These low temperatures can be used for cooling to save the energy required there.
Uma outra otimização em particular da produção de frio pode ser realizada pelo fato de que meio o meio de trabalho do conversor pneumático-hidráulico é relaxado para uma pressão de relaxação que está situada abaixo da primeira pressão no reservatório de armazenamento e, na seqüência, a primeira pressão é comprimida.Another particular optimization of cold production can be accomplished by the fact that the working medium of the pneumatic-hydraulic converter is relaxed to a relaxation pressure that is below the first pressure in the storage reservoir and, subsequently, to first pressure is compressed.
Ainda, a presente invenção se refere a um dispositivo para conversão de energia térmica em trabalho mecânico, com um reservatório de armazenamento, um recipiente de trabalho e uma máquina de trabalho para conversão de trabalho hidráulico em trabalho mecânico.Further, the present invention relates to a device for converting thermal energy to mechanical work, with a storage reservoir, a work container and a work machine for converting hydraulic work to mechanical work.
De acordo com a invenção, é previsto que o recipiente de trabalho esteja em conexão com um primeiro trocador de calor para aquecer o meio de trabalho, que o recipiente de trabalho seja conectado ainda com um conversor pneumático-hidráulico que transfere a pressão do meio de trabalho para um meio hidráulico, e que um linha de recirculação para o meio de trabalho do conversor pneumático-hidráulico para o reservatório de armazenamento seja provido.According to the invention, it is provided that the working vessel is connected with a first heat exchanger to heat the working medium, that the working vessel is further connected with a pneumatic-hydraulic converter which transfers the pressure of the working medium. a recirculation line for the working medium from the pneumatic-hydraulic converter to the storage reservoir is provided.
Uma variante de concretização particularmente preferida da invenção prevê que vários reservatórios de trabalho e conversores pneumático-hidráulico sejam conectados em paralelo.A particularly preferred embodiment of the invention provides for several working reservoirs and pneumatic-hydraulic converters to be connected in parallel.
Na concretização prática, por exemplo, cinco dos dispositivos representados na figura 1 são dispostos paralelos lado a lado e são operados temporalmente defasados um com relação a outro, como este é o caso, por exemplo, em um motor de combustão interna de cinco cilindros. Assim, uma operação contínua sem flutuações cíclicas dignas de nota pode ser alcançada.In practical embodiment, for example, five of the devices shown in FIG. 1 are arranged side by side and are temporally offset from one another, as is the case, for example, in a five-cylinder internal combustion engine. Thus continuous operation without noticeable cyclic fluctuations can be achieved.
A seguir, o método de acordo com a invenção e o dispositivo de acordo com a invenção serão explicados mais detalhadamente com base no diagrama de ligações da figura 1, o qual representa os componentes essenciais da instalação. A figura 2 mostra uma típica curva de pressão de vapor de um meio de trabalho.In the following, the method according to the invention and the device according to the invention will be explained in more detail based on the wiring diagram of figure 1, which represents the essential components of the installation. Figure 2 shows a typical vapor pressure curve of a working medium.
Em um reservatório de armazenamento 1 está presente um meio de trabalho, em que, aqui, por exemplo, pode ser usado um agente refrigerante, como R 134a. O meio de trabalho no reservatório de armazenamento 1 está presente, neste caso, em equilíbrio de fase em temperatura ambiente e uma pressão de aproximadamente 6 bar. O reservatório de armazenamento 1 é conectada através de uma bomba de alimentação 2 com um recipiente de trabalho 3, em que esta conexão pode ser ligada através de uma válvula 4. No recipiente de trabalho 3 é disposto um primeiro trocador de calor 5, o qual serve para o aquecimento do meio de trabalho no recipiente de trabalho 3. O trocador de calor 5 é suprido através de uma bomba de transporte 6 com calor perdido de um motor de combustão interna, aqui não representado, na medida em que, por exemplo, água com 100°C é conduzida através do primeiro trocador de calor 5. O recipiente de trabalho 5 está em conexão através de um tubo de derivação 7 com uma primeira câmara de trabalho 8a de um conversor pneumático-hidráulico 8, o qual é configurado como acumulador de bolhas. A primeira câmara de trabalho 8a é separada de uma segunda câmara de trabalho 8b por meio de uma membrana flexível 8c, a qual separa as duas câmaras de trabalho 8a, 8b uma da outra, mas possibilita uma compensação de pressão. A segunda câmara de trabalho 8b do conversor pneumático-hidráulico 8 está em conexão com um circuito hidráulico, o qual consiste de uma máquina de trabalho 9 com gerador 10 flangeado na mesma, um recipiente de óleo 20, uma bomba de recondução 17 e um terceiro trocador de calor 11. O terceiro trocador de calor 11 é suprido por uma bomba 12. Um outro conduto de trabalho 19 liga a primeira câmara de trabalho 8a do conversor pneumático-hidráulico 8 com um segundo trocador de calor 16, o qual está em conexão com o reservatório de armazenamento 1 através de uma bomba de transporte 14. Ademais, os condutos 7, 19 podem ser opcionalmente fechados por meio de válvulas 7a, 19a.In a storage reservoir 1 there is a working medium in which, for example, a refrigerant such as R 134a may be used here. The working medium in the storage reservoir 1 is present in this case at phase equilibrium at room temperature and a pressure of approximately 6 bar. Storage reservoir 1 is connected via a feed pump 2 with a work container 3, where this connection may be connected via a valve 4. A first heat exchanger 5 is arranged in the work container 3 which it is used for heating the working medium in the working vessel 3. The heat exchanger 5 is supplied by a lost heat transport pump 6 from an internal combustion engine, not shown here, as, for example, 100 ° C water is fed through the first heat exchanger 5. The working vessel 5 is connected via a bypass tube 7 with a first working chamber 8a of a pneumatic-hydraulic converter 8 which is configured as bubble accumulator. The first working chamber 8a is separated from a second working chamber 8b by means of a flexible membrane 8c which separates the two working chambers 8a, 8b from each other, but enables pressure compensation. The second working chamber 8b of the pneumatic-hydraulic converter 8 is in connection with a hydraulic circuit which consists of a working machine 9 with generator 10 flanged therein, an oil container 20, a rebuild pump 17 and a third heat exchanger 11. The third heat exchanger 11 is supplied by a pump 12. Another working conduit 19 connects the first working chamber 8a of the pneumatic-hydraulic converter 8 with a second heat exchanger 16 which is connected with the storage reservoir 1 via a transport pump 14. In addition, the conduits 7, 19 may optionally be closed by means of valves 7a, 19a.
A operação do dispositivo de acordo com a invenção será explicada mais detalhadamente a seguir.The operation of the device according to the invention will be explained in more detail below.
Em uma primeira etapa, meio de trabalho líquido do reservatório de armazenamento 1 é transferido por meio da bomba de alimentação 2 para o recipiente de trabalho 3, onde a pressão é aumentada de 6 bar para 40 bar.In a first step, liquid working medium from the storage reservoir 1 is transferred via the feed pump 2 to the working container 3, where the pressure is increased from 6 bar to 40 bar.
Depois de o recipiente de trabalho 3 ser completamente cheio com meio de trabalho líquido, a válvula 4 é fechada e é efetuado um aquecimento através do primeiro trocador de calor 5. Este aquecimento representa a segunda etapa. Neste caso, o calor perdido de um outro processo pode ser aproveitado.After the working container 3 is completely filled with liquid working medium, the valve 4 is closed and heating is effected by the first heat exchanger 5. This heating represents the second step. In this case, the heat lost from another process can be harnessed.
Por meio do aquecimento para 100°C, uma parte do meio de trabalho no recipiente de trabalho 3 é evaporado e este vapor é transferido, em uma terceira etapa, através do conduto 7 quando a válvula 7a está aberta, para a primeira câmara de trabalho 8a do conversor pneumático-hidráulico 8. A queda de pressão é compensada, neste caso, por meio de outro aquecimento através do primeiro trocador de calor 5. Ao mesmo tempo, a membrana 8c do conversor pneumático-hidráulico 8 desloca-se na direção da segunda câmara de trabalho 8b, de modo que meio hidráulico é pressionado por meio da máquina de trabalho 9 que aciona o gerador 10. A terceira etapa é finalizada tão longo a segunda câmara de trabalho 8b do conversor pneumático- hidráulico 8 seja extensamente esvaziada.By heating to 100 ° C, a portion of the working medium in the working vessel 3 is evaporated and this vapor is transferred, in a third step, through the conduit 7 when the valve 7a is open, to the first working chamber. 8a of the pneumatic-hydraulic converter 8. The pressure drop is compensated in this case by further heating via the first heat exchanger 5. At the same time, the membrane 8c of the pneumatic-hydraulic converter 8 moves towards the second working chamber 8b so that hydraulic means is pressed by means of the working machine 9 which drives the generator 10. The third step is terminated so long that the second working chamber 8b of the pneumatic-hydraulic converter 8 is emptied extensively.
Em uma quarta etapa, meio hidráulico é reconduzido do recipiente 20 para a segunda câmara de trabalho 8b do conversor pneumático- hidráulico 8 através da bomba 17 e o meio de trabalho é conduzido a partir da câmara de trabalho 8a através da válvula 19a, neste ínterim aberta, para o conduto 19 através do segundo trocador de calor 16, e relaxado. Uma bomba de transporte 14 conduz o meio de trabalho de volta para o reservatório de armazenamento 1. Como indicado pela seta 21, o calor absorvido pelo meio de trabalho no segundo trocador de calor 16 pode ser fornecido como potência frigorífica para, por exemplo, acionar uma instalação de refrigeração ou instalação de condicionamento de ar. Todavia, uma corrente parcial através de um trocador de calor 15 pode ser utilizada para refrigerar o meio de trabalho por ocasião da compressão.In a fourth step, hydraulic means is returned from the container 20 to the second working chamber 8b of the pneumatic-hydraulic converter 8 through the pump 17 and the working medium is driven from the working chamber 8a through the valve 19a in the meantime. open to conduit 19 through second heat exchanger 16, and relaxed. A transport pump 14 drives the working medium back to the storage reservoir 1. As indicated by arrow 21, the heat absorbed by the working medium in the second heat exchanger 16 can be supplied as refrigerant power for example to drive a refrigeration installation or air conditioning installation. However, a partial current through a heat exchanger 15 may be used to cool the working medium upon compression.
A figura 2 representa uma típica curva de pressão de vapor de um meio de trabalho que pode ser usado no processo de ciclo descrito. Trata- se, neste caso, do R 134 a, também do 1,1,1,2-tetrafluoretano, descrito como meio frigorífica. Como é visível, a fase líquida está em equilíbrio com a fase gasosa a temperatura ambiente em uma pressão de aproximadamente 6 bar. Em uma temperatura de 100°C, esta pressão de equilíbrio é aproximadamente 40 bar.Figure 2 is a typical vapor pressure curve of a working medium that can be used in the described cycle process. This is R 134a, also 1,1,1,2-tetrafluoroethane, which is described as a refrigeration medium. As is apparent, the liquid phase is in equilibrium with the gas phase at room temperature at a pressure of approximately 6 bar. At a temperature of 100 ° C, this equilibrium pressure is approximately 40 bar.
A presente invenção possibilita, com montagem de aparelhos simples, aproveitar de forma ótima calor perdido por outros processos, tais como a operação de um motor de combustão com combustão interna.The present invention makes it possible, with the assembly of simple apparatus, to make optimum use of heat lost by other processes, such as the operation of an internal combustion combustion engine.
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