BRPI1000624B1 - conversor de energia termomecânico - Google Patents

Abstract

CONVERSOR DE ENERGIA TERMOMECÂNICO refere-se ao presente pedido de patente de invençio a sistemas construtivos em geral, mais especificamente a um "CONVERSOR DE ENERGIA TERMOMECÂNICO" que propicia energia mecânica pela conversifo reita através da passagem do fluxo de calor de uma fonte de energia térmica para um gás que circula entre unidades seladas. O sistema é composto por um ou mais pares dc câmaras, chamadas de unidades seladas, as quais transferem calor para o gás dc forma alternada ontre si por meio do movimento controlado de um rotor em forma dc roseta que expõe o gás entre as placas quentes e frias de forma alternada de maneira quc o gás entre as câmaras se expanda e se contraia ciclicamente gerando a força motriz. <<DESCRIPTION PART>>

Description

CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO

[001] Refere-se ao presente pedido de patente de invenção, a sistemas construtivos em geral, mais especificamente a um "Conversor de Energia Termomecânico" que, de acordo com as suas características gerais, possui como princípio básico propiciar energia mecânica pela conversão feita através da passagem do fluxo de calor de uma fonte de energia para um elemento de absorção de energia, de modo que através do fluxo energético o elemento de transporte desta energia realize um trabalho ao movimentar uma turbina ou motor.

[002] Com design e formato específico o "Conversor de Energia Termomecânico" utiliza o conceito de Robert Stirling que em 1816 desenvolveu o primeiro motor de combustão externa, muito embora o "Conversor de Energia Termomecânico" aqui descrito não necessita de combustão necessariamente, e sim de uma fonte de calor, podendo ser por combustão de qualquer espécie de combustível, sólido, líquido, gasoso bem como de outras fontes de energia como, o sol, geotérmica, isótopos radioativos, etc. Mas de qualquer forma, o conceito é o mesmo criado por Robert Stirling.

[003] A presente solicitação de patente em apreço caracteriza-se por reunir componentes e processos em uma concepção diferenciada, a qual atenderá as diversas exigências que a natureza da utilização demanda, ou seja, um sistema de conversão de energia operante através do aquecimento de gás em duas unidades que operam sincronizadamente, de forma que enquanto uma aquece o gás em seu interior, a outra retira o calor do gás e este ciclo gera a conversão que fica disponível no eixo de um motor ou turbina.

[004] A energia convertida é proporcional ao fluxo de energia que passa pelo equipamento de conversão. Quanto melhor forem os elementos de transferência da energia, do isolamento quanto à perda de calor, do escoamento do fluxo tanto da energia quanto do gás, mais eficiente será o conversor.

[005] A presente solicitação de patente consiste no emprego de um moderno, eficiente, seguro e funcional “Conversor Termomecânico de Energia” através da expansão e retração do gás em circuito fechado em geral formado por um conjunto de elementos e soluções mecânicas e construtivas corretamente incorporadas, compondo um sistema construtivo completo e diferenciado, com design exclusivo e características próprias, que incorpora uma estrutura própria e específica do tipo mecânico, de elevada durabilidade e resistência e contendo perfeitamente integrados e simetricamente dispostos em um circuito fechado formado por um conjunto de elementos de aquecimento, isolamento, transporte, expansão de forma a propulsionar uma turbina ou motor a pressão de gás, disponibilizando energia mecânica em um eixo para a conversão em energia elétrica para uso específico ou geral.

[006] O presente "Conversor de Energia Termomecânico" baseia-se na energia contida em uma fonte de calor, sol, geotérmica, combustão, radiação atômica, onde a mesma é tomada por meio de um fluido térmico e conduzido em câmaras para transferência da energia para o gás contido nas câmaras de forma que o mesmo se expanda e seja convertido em energia mecânica em um eixo de motor ou turbina de forma que o gás receba energia em uma das câmaras, aumentando a pressão e se desloque para a outra câmara cujo circuito esteja neste momento retirando o calor do gás e neste trajeto o sistema realizará trabalho convertendo movendo uma turbina ou motor.

ESTADO DA TÉCNICA

[007] O atual estado da técnica, devido ao longo período de abundância de outras formas de energia, não evoluiu de forma muito significativa desde os remotos tempos da invenção pelo Sr Robert Stirling.

[008] As tecnologias conhecidas atualmente de modo geral operam por meio de pistões, de modo que pelas suas geometrias dificultam a transferência eficiente da energia calorífica para o gás, bem como dificultam também projetos de grandes dimensões. Os modelos mais conhecidos são denominados de Alfa conforme indicação em 108, na figura 14, o modelo Beta conforme 109 na figura 14 e o modelo Gama conforme 110 na figura 14. Há também um novo modelo chamado de quasiturbine que opera com um rotor normalmente com 4 câmaras e quatro regiões de transferência térmica, duas quentes e duas frias, no entanto possui um complexo sistema articulado que forma o rotor o qual gira sob a força da pressão do gás no interior de um corpo em formato elipsoidal e da mesma forma como os três modelos apontados acima, dificulta o dimensionamento para grandes sistemas. Recentemente, William Beale da Sunpower, Inc desenvolveu um modelo novo conforme figura 15, desenho 111, cuja configuração compreende quatro cilindros defasados em noventa graus baseado no modelo Stirling Alfa de pistão livre, também com uma turbina a gás, por outro lado, a principal proposta da configuração aqui apresentada é a obtenção de sistemas de maior potência. A maioria dos modelos operam com variação volumétrica nas câmaras de pressão e também vários sofrem influência da pressão do ambiente externo. De qualquer forma, todos os modelos existentes apontados exigem o retorno do gás para a sua origem para receber a energia para gerar o trabalho o que contribui em obrigar os projetos a manter o conversor relativamente grande em dimensão por unidade de potência.

[009] Visando à colocação de um produto inédito no mercado, foi realizada uma pesquisa em busca de anterioridades em alguns bancos de dados especializados e neles foram encontrados os seguintes processos:

[010] US 6195992 - “MOTOR DE CICLO STIRLING”, um motor de ciclo Stirling tendo duas câmaras (formadas por 12-14, ou 12, 15 e 16) contendo um fluido de trabalho e discos de rotor rotativos (10, 11) acoplados a um eixo de potência de saída comum (3). Cada câmara tem uma zona quente e uma zona fria, e uma passagem (23) conduz da zona quente em uma câmara para a zona fria na outra câmara e uma passagem (24) conduz da zona quente na outra câmara para o zona fria em uma câmara. Cada disco de rotor (10, 11) tem uma seção de deslocamento (5) para deslocar o fluido de trabalho e uma seção de turbina (6) tendo pás de turbina (7) dispostas ao longo de sua periferia. Os discos (10, 11) giram fora de fase uns com os outros e o fluido de trabalho das respectivas passagens (23, 24) é direcionado para as lâminas (7) para girar os discos (10, 11) quando o motor está em operação.

[011] US 2003 000210 - “REGENERADOR MÓVEL PARA MOTORES STIRLING”, um motor de ciclo Stirling compreende um bloco de motor substancialmente vedado que define um espaço de fluido de trabalho, um caminho quente e um caminho frio. Uma fonte de calor e um dissipador de calor são configurados para manter o caminho quente e o caminho frio em temperaturas diferentes. O motor inclui uma câmara de válvula que se comunica com o espaço de fluido de trabalho, o caminho quente e o caminho frio. Uma válvula é posicionada de forma móvel dentro da câmara de válvula entre pelo menos uma primeira posição e uma segunda posição. A válvula define uma passagem que, na primeira posição, coloca o espaço do fluido de trabalho em comunicação com o caminho quente e, na segunda posição, coloca o espaço do fluido de trabalho em comunicação com o caminho frio. Um regenerador posicionado dentro da passagem.

[012] FR 2924762 - “A MÁQUINA TERMODINÂMICA, POR EXEMPLO, BOMBA DE CALOR, TEM DESLOCADORES PASSANDO POR CÂMARAS SUCESSIVAMENTE NA FRENTE DAS SUPERFÍCIOS DE TROCA DE CALOR, ONDE CADA CÂMARA CONTÉM UMA QUANTIDADE CONSTANTE DE GÁS DE TRABALHO QUE É TOTALMENTE ESTÁVEL EM RELAÇÃO AOS DESLOCADORES”, a máquina tem deslocadores rotativos que se movem em compartimentos (212, 312) para deslocar gases de trabalho contidos nos compartimentos, respectivamente. Os deslocadores colocam sucessivamente os gases em contato e fora de contato com as superfícies de troca de calor dos invólucros correspondentes. Pistões de energia (230, 330) são submetidos à pressão dos gases de trabalho. Os deslocadores passam por câmaras (222, 322) sucessivamente na frente das superfícies de troca de calor, onde cada câmara contém uma quantidade constante de gás de trabalho que é totalmente estável em relação aos deslocadores.

[013] WO 2005 083255 - “MOTOR DE ESTIRAMENTO TIPO ROTATIVO”, a presente invenção se refere a um motor Stirling e, mais particularmente, a um motor Stirling que tem um deslocador rotativo e um pistão alternando uma cooperação com um eixo rotativo do deslocador. O motor Stirling rotativo da presente invenção compreende um alojamento cilíndrico oco que tem um fluido de trabalho compressível hermeticamente contido nele e inclui uma porção de aquecimento quente para aquecer o fluido de trabalho e uma porção de resfriamento a frio para resfriar o fluido de trabalho em contato com o fluido de trabalho ; um eixo rotativo suportado rotativamente pelo alojamento enquanto uma porção do mesmo é acomodada dentro do alojamento; um deslocador que tem uma extremidade fixada no eixo rotativo e tem uma superfície de isolamento colocada em estreita proximidade com a porção de aquecimento ou resfriamento de modo a bloquear a transferência de calor da porção de aquecimento para o fluido de trabalho ou do fluido de trabalho para a porção de resfriamento após rotação do deslocador; um meio de mudança de volume que se comunica com o alojamento de modo que o fluido de trabalho flua entre eles, e tendo um volume que varia em resposta às mudanças na pressão do fluido de trabalho; e um meio de transmissão de energia para transmitir energia, que é gerado por meio de expansão e contração repetidas do meio de mudança de volume em resposta às mudanças na pressão do fluido de trabalho após a rotação do deslocador, para o eixo rotativo. um meio de mudança de volume que se comunica com o alojamento de modo que o fluido de trabalho flua entre eles, e tendo um volume que varia em resposta às mudanças na pressão do fluido de trabalho; e um meio de transmissão de energia para transmitir energia, que é gerado por meio de expansão e contração repetidas do meio de mudança de volume em resposta às mudanças na pressão do fluido de trabalho após a rotação do deslocador, para o eixo rotativo. um meio de mudança de volume que se comunica com o alojamento de modo que o fluido de trabalho flua entre eles, e tendo um volume que varia em resposta às mudanças na pressão do fluido de trabalho; e um meio de transmissão de energia para transmitir energia, que é gerado por meio de expansão e contração repetidas do meio de mudança de volume em resposta às mudanças na pressão do fluido de trabalho após a rotação do deslocador, para o eixo rotativo.

[014] DE 19809847 - “MOTOR STIRLING COM DESIGN ROTATIVO”, um motor Stirling tem um design rotativo com uma construção de múltiplas câmaras fechadas e com pistões de compressão (8) em cada lado dos pistões de trabalho (3). A fase dos pistões de trabalho é variada por um ajustador para variar a potência do motor sem aumentar a vibração e com a eficiência maximizada. Os pistões de trabalho curvos operam em uma câmara de compressão de formato variável. O sistema fechado possui trocadores de calor modelados (11,12).

[015] FR 2924762 - “MÉTODO E SISTEMA PARA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA E MECÂNICA USANDO PRINCÍPIOS DE MOTORES DE ESTIRAMENTO”, uma máquina térmica fechada em um alojamento tem duas zonas mantidas em diferentes temperaturas. A primeira zona ("zona quente") recebe energia térmica de uma fonte externa de energia. A segunda zona ("zona de câmara fria") é conectada à zona quente por dois condutos, de modo que um fluido (por exemplo, ar, água ou qualquer outro gás ou líquido) enchendo as duas zonas pode circular entre as duas zonas. A expansão do fluido na zona quente e a compressão do fluido na zona fria acionam uma turbina para fornecer uma saída de energia. O fluido pode ser pressurizado para aumentar a eficiência. Em uma modalidade, a turbina impulsiona um eixo em um movimento de rotação para transmitir a saída de energia do motor térmico para um gerador elétrico fora do alojamento do motor térmico. Em uma modalidade, a turbina inclui um primeiro conjunto de lâminas e um segundo conjunto de lâminas localizadas na zona quente e na zona fria, respectivamente. As lâminas podem ter cada uma um perfil plano com duas superfícies desiguais, de modo que a turbina gire preferencialmente em uma direção.

[016] Compreende-se que os documentos acima relacionados, apesar de pertencerem ao mesmo campo técnico, é notório que estes não apresentam as mesmas características técnicas e funcionais do equipamento ora aperfeiçoado, garantindo assim, que o mesmo atenda aos requisitos legais de patenteabilidade exigidos.

BREVE DESCRITIVO DA INVENÇÃO

[017] A partir destes inconvenientes projetou-se um "Conversor de Energia Termomecânico", na qual a sua concepção básica fundamenta-se totalmente em uma estrutura própria que apresente as características básicas e essenciais de total simplicidade, eficiência na transferência energética e de conversão, versatilidade e integração, caracterizado também pela facilidade nas implantações, especialmente pela flexibilidade no uso de diversas fontes de calor, renováveis, não renováveis, dos combustíveis, etc; envolvendo um baixo número de componentes, reduzindo custos e tempos de fabricação, montagem e manutenção.

[018] O projeto proposto consiste em uma nova solução que pela sua geometria configura um acelerado processo de transferência térmica, permite o implemento de unidades térmicas em consórcio facilitando sistemas de grande porte, a simetria garante equilíbrio e excelente balanceamento inexistente nos sistemas atuais, e um dos pontos mais importantes, o aproveitamento continuo do fluxo de energia e ainda pelas suas próprias características, tem a propriedade de sair facilmente do estado inercial de partida.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[019] Os objetivos, vantagens e demais características importantes da patente em apreço poderão ser mais facilmente compreendidas quando lidas em conjunto com as figuras em anexo, nas quais:

[020] A figura 1 representa um diagrama de blocos que descreve o fluxo da energia térmica, a transferência para o gás no interior de duas unidades seladas porém interconectadas entre si por meio de um circuito que força a passagem do gás por uma turbina, de modo que: a energia térmica entra pelo bloco (1), toma o sentido (2) continuamente e ininterruptamente, parte sendo transformada e parte sendo liberada para o ambiente pelo bloco (6), portanto durante este fluxo, a energia é transferida para o gás contido nas unidades seladas (4) e (5), de forma que em um dado momento a energia é transferida ao gás na unidade selada (4) expandindo o gás e retirada na unidade selada (5) deslocando-se para o ambiente externo e na fase seguinte a transferência opera no sentido contrário, a energia é depositada na unidade selada (5) e retirada na unidade selada (4) deslocando-se para o bloco (6) para liberação, evidentemente grande parte da energia é transferida para gerar trabalho e conversão de energia pela turbina. Em (3) é representado o sentido do fluxo da energia que hora entra pela unidade (4) e hora pela unidade (5), em (8) é indicado as válvulas de fluxo unidirecionais, permitem o fluxo do gás apenas no sentido indicado de forma que no diagrama apresentado o fluxo do gás (9) sempre entra no mesmo lado da turbina (10) garantindo um movimento no mesmo sentido e contínuo. Os três gráficos da figura 1 indicam a curva da pressão do gás (11) em cada uma das unidades seladas quando em operação a linha indicativa da pressão média do sistema (12) e, a indicação da pressão média do sistema sem o fluxo de energia da fonte (13). Em (14) é indicado o comportamento da pressão diferencial entre as unidades seladas (4) e (5), em (15) o comportamento da pressão na entrada da turbina após passagem pelas válvulas direcionais. Para este sistema, considera-se que as unidades seladas tenham gás inerte sob pressão dimensionada a manter-se seguro em função das pressões máximas de operação. Há as seguintes considerações: o gás hélio, altamente indicado, reúne segurança e a propriedade de possuir alta condutibilidade térmica, a absorção do calor ocorre em cerca de dez vezes mais rápida que a do ar ou nitrogênio.

[021] As unidades seladas são pressurizadas de modo que quanto maior a pressão, maior será sua capacidade de conversão energética por unidade de volume, justamente porque quanto maior a quantidade de moléculas de gás, mais matéria gasosa existe para transportar a energia. O equipamento deve ser corretamente dimensionado de modo a operar em condições seguras. Como não há nenhum elemento móvel exposto ao lado externo, o presente projeto não possui variação volumétrica durante o ciclo e não sofre influência alguma com a pressão atmosférica.

[022] Na figura 2 há dois diagramas de blocos representando o mesmo sistema (17), porém em (16) indica o fluxo de energia em função do giro do rotor a ser detalhadamente explicado logo à frente, observando que em dado momento o fluxo energético entra pela unidade selada (4) e sai pela unidade selada (5) e na fase seguinte o contrário, entra pela unidade selada (5) e sai pela (4). Em (18) é indicado o fluxo do gás que devido à troca sequencial e contínua da transferência de energia, hora vem da unidade selada (4) com pressão maior, entrando na turbina e hora vem da unidade selada (5) então esta com pressão maior entrando na turbina.

[023] Na figura 3 é mostrado como é constituído o rotor. O rotor é formado por um eixo (22), com rosetas (19) de material isolante térmico, cada roseta é forma por pétalas (20), o eixo é perfurado (21) para a passagem do gás durante o processo de expansão e retração. O rotor montado é indicado em (23), uma parte com as rosetas todas alinhas de forma simétrica e espaçadas (25) e outra parte de dimensão idêntica com os mesmos números de rosetas porém defasadas para gerar o efeito simétrico na troca térmica pelo fluxo da energia. A função do rotor com as rosetas é de fazer o deslocamento do gás de forma circular no interior de cada uma das unidades seladas, deslocando-o das regiões quentes e frias e vice versa continuamente, deve ser observado e entendido que este rotor não exerce pressão alguma, ou de outro modo o gás não exerce pressão alguma sobre as pétalas do rotor, pois em cada unidade selada o rotor atua sempre em completo equilíbrio de pressões, ele serve exclusivamente para mover o gás equilibradamente. Outro ponto importante a considerar é que as pétalas que formam as rosetas não tocam no rotor, não há atrito direto, pois servem apenas para deslocar o volume de gás no interior das câmaras de uma região para outra.

[024] Na figura 4 é mostrado um dos itens mais importantes do projeto, o disco de transferência térmica. O conceito é o seguinte: para se ter o melhor rendimento possível em um sistema a gás de circuito fechado, o gás deve ficar em contato da forma mais íntima possível com o elemento transmissor do calor para que a transferência energética seja eficiente tanto durante o processo de fornecer a energia quanto na retirada, ou seja, em contato o mais íntimo possível com o elemento de retirada do calor. Desta forma o disco de transferência energética, térmica é constituído por segmentos quentes (27) e segmentos frios (28) alternadamente, isolados entre si por isoladores térmicos (30). Cada segmento é formado por uma fração do disco com arestas em ângulo perfeito dirigido ao centro, com material condutor térmico e boa propriedade de emissão térmica, insertado por um duto (29) pelo qual é transportado o fluido térmico quente ou frio conforme caso. Estes segmentos quentes e frios que formam o disco, possuem suas placas nas duas faces em contato com o gás e estão perfeitamente paralelas com outras placas nas mesmas condições de temperatura e o gás estando entre as mesmas, sofrerá o aquecimento ou resfriamento de forma relativamente rápida. O anel (31) é de material isolante térmico para reduzir a perda energética para o eixo. Com esta geometria e conceito de transferência térmica, através do controle da rotação do rotor o qual é independente, o sistema permite total controle de forma a operar sempre na condição ótima de transferência energética, condição desfavorável nos sistemas a pistão.

[025] Na figura 5 é indicado um disco de troca energética de 4 polos quentes (32) e 4 polos frios (33) e a sua concepção montada (34). Em (35) é mostrado um disco isolante térmico o qual é utilizado nas extremidades das unidades seladas para reduzir perdas térmicas para a carcaça e o meio exterior.

[026] Na figura 6 é mostrado como são montados os principais elementos que constituem o sistema de transferência de energia para o gás bem como a retirada da energia do gás no interior das unidades seladas. Em (38) observa-se o rotor para um equipamento com duas unidades seladas e quatro polos, neste desenho orientativo o rotor é demonstrado contendo duas seções, uma com três rosetas simétricas, e outra seção com outras três rosetas simétricas defasadas da primeira seção, observa-se também neste item os furos para facilitar a passagem do gás durante o processo. Em (36) e (37) observa-se como são distribuídos os discos que formam o estator, os discos são fixados na carcaça e operam de forma estática e completamente simétrica todos os discos e inclusive alinhados quando se refere às unidades seladas enquanto o rotor gira entre suas grades. Os discos são montados entre as rosetas do estator e outro disco na extremidade que conforme desenho, o disco indicado por (40) é o último disco de transferência térmica do conjunto e após o mesmo é introduzido do disco de isolamento térmico (41) de forma que a energia que é introduzida no sistema seja plenamente disponibilizada para executar a expansão do gás, melhorando o rendimento do conjunto. Com este detalhe, observa-se como há a troca simétrica entre a entrada de energia e saída que ocorrem respectivamente entre as unidades seladas, enquanto uma o gás fica completamente exposto ao calor das grades quentes, na outra o gás fica completamente exposto à retirada de calor pelas grades frias conforme o giro do rotor. Lembrando que todas as grades permanecem constantemente e continuamente sendo aquecidas e intercaladas com as outras grades que da mesma forma ficam constantemente e continuamente sendo resfriadas, conferindo portanto o processo de transferência da energia para o gás e sua retirada de forma a gerar a expansão e retração do gás para criar a conversão da energia térmica em mecânica. Observa-se, portanto, que o presente projeto permite dimensionar livremente o número de rosetas, número de polos de forma a se adequar a aplicações pequenas como de grandes instalações.

[027] Na figura 7 é claramente demonstrado como funciona o processo de troca térmica, em (44) é indicado uma das pétalas que formam a roseta a qual é o elemento mais importante do rotor, esta pétala é constituída de material isolante térmico e ocupa quase que totalmente o espaço entre os discos do estator e que desloca o gás entre os discos o sujeitando às zonas quentes e frias ciclicamente, para melhor entendimento, os segmentos dos discos (42) e (43) são grades que operam na mesma condição térmica de modo que o gás entre estas placas executem a troca térmica com alta eficiência, em (45) é indicado o movimento da pétala a qual faz o arraste do gás continuamente transportando-o das zonas quentes para as frias e vice-versa, gerando a expansão e retração. Logo abaixo na mesma figura observa-se novamente os detalhes construtivos, (46) o aspecto do estator e rotor, (47) o disco térmico e (48) o disco isolante térmico das extremidades.

[028] A figura 8 é altamente esclarecedora, a seta indicada por (55) define a região sempre fria, portanto todas as grades do estator alinhadas a esta seta sempre estarão retirando o calor do gás através do fluido térmico que por elas passam, por outro lado a seta indicada por (54) define a região sempre quente e portanto todas as grades do estator alinhadas a esta seta sempre estarão fornecendo calor através do fluido térmico que por elas passam. A grade (49) e todas as grades a ela alinhadas, segmentos dos discos térmicos, são frias, a grade (50) e todas à ela alinhadas, são quentes. As pétalas (51) e (52) fazem parte do rotor e aprisionam entre elas todo o gás das unidades seladas o sujeitando sequencialmente as regiões quentes e frias. Abaixo tem-se a visão longitudinal do gás entre as grades quentes e frias. Em (56) é indicado as grades frias, o gás em retração (58), em (57) as grades quentes, o gás em expansão (59), a espessura das grades em (61), a distância entre as grades (60). Conforme menor for a distância “x” indicado por (60) entre as grades, maior a velocidade da transferência térmica e consequentemente maior será a rotação do rotor, permitindo por sua vez a redução das dimensões do sistema para uma mesma potência.

[029] A figura 9 mostra novamente um dos segmentos do rotor (64), a carcaça (62) e o cilindro isolante térmico (63) que possui a função de isolar, reduzir as perdas dos elementos de troca de calor, discos quentes e frios e o gás, com o meio externo.

[030] Na figura 10 o equipamento já em sua forma final, em (67) o detalhe do aspecto de uma das unidades seladas, observa-se o rotor, parte do estator, o cilindro isolante térmico e a carcaça. Esta unidade é completamente selada, existindo apenas um duto, não detalhado no desenho, por onde escoa o gás desta unidade selada para a outra, através de uma turbina ou motor. Abaixo na mesma figura observa-se o conversor, o segmento frontal (68), uma tampa com passagem de dutos de isolamento térmico e vedações, a unidade selada alfa (69), um segmento de isolamento térmico e vedação (70), a unidade selada ômega (71), um segmento de isolamento térmico e vedação (72), um módulo de válvulas direcionais de fluxo (73) e uma turbina (74). Detalhamentos dos acoplamentos mecânicos não fazem parte do presente trabalho.

[031] A figura 11 descreve em linhas gerais duas formas de instalação e aplicação, a primeira delas em (75) indica uma instalação de grande porte constituído por um aquecedor (89) cuja energia pode ser provida por concentradores de energia solar, geotérmica, combustíveis de quaisquer espécies, sólido, líquido, gasoso, renovável ou não renovável e por meio de aquecimento através de energia atômica com isótopos radioativos, um reservatório do fluido térmico isolado (77), uma bomba de recalque para a circulação do fluido (78), as unidades seladas de transferência térmica, expansão e retração do gás (80) e (82), o resfriador (83), o reservatório de fluido térmico frio (84), a bomba de recalque do fluido frio (86), o módulo de válvulas direcionais (88), a turbina (87) e a indicação do fluxo dos fluidos térmicos, (79) e (76) respectivamente entrada e saída do fluido quente e (85) e (81), entrada e saída do fluido frio. Na mesma figura, abaixo, (90), uma aplicação de pequeno porte, receptor do aquecimento (91) acoplado ao conjunto, tampa de acoplamento, bombeamento e isolamento (92), unidade selada (93), segmento de isolamento (94), unidade selada (95), segmento de isolamento (96), módulo de válvulas direcionais (98), turbina (97) e o dissipador de calor (99).

[032] Na figura 12 indica um equipamento (100) com um sistema com dois conjuntos de unidades seladas, (101) e (102), indicando a flexibilidade de se construir com a mesma ideia e conceito, sistemas de múltiplas fases. Abaixo em (103) e (104) indicam respectivamente o comportamento dos ciclos de expansão e retração do gás entre os dois conjuntos de unidades seladas, em (105) o comportamento relativo que ocorre em cada conjunto de unidades seladas e em (106) a resultante do fluxo do gás nas turbinas. Em síntese, esta figura e diagramas indicam a viabilidade do uso deste conceito em grandes projetos.

[033] Na figura 13 é indicada a aplicação de um equipamento (107) de porte menor em sistemas solares com pratos espelhados de concentração de energia. O sol deposita na crosta terrestre em média 1000 Watts de energia por metro quadrado, concentradores de várias concepções podem ser utilizados para dirigir a energia e conduzi-la de forma a gerar o fluxo útil para o sistema de conversão proposto.

[034] O "Conversor de Energia Termomecânico” aqui proposto, confere alta flexibilidade para pequenas e grandes instalações, alta segurança no seu emprego, considerando-se o correto procedimento técnico para seu dimensionamento, sua construção e aplicação, robustez devido a características como: baixíssimo ruído, inexistência de choques e impactos, simplicidade de processo, aplicabilidade desde pequenas instalações isoladas, residenciais, comerciais e em sistemas distribuídos.

[035] Pelo tudo que foi exposto trata-se de um sistema que será bem recebido pelas companhias elétricas, aeroespacial, órgãos governamentais, indústrias e usuários em geral, apresenta inúmeras vantagens, tais como: grande segurança, confiabilidade e agilidade na aplicação; grande rendimento e desempenho na sua aplicação em virtude de sua concepção geral; comodidade e segurança aos usuários; grande durabilidade e resistência, aliado a um baixo desgaste do conjunto como um todo; custos plenamente acessíveis com referência aos processos e tecnologias similares o que possibilita uma ótima relação custo/benefício; prática e segura utilização por quaisquer usuários; completa proteção térmica e de pressão; baixíssimo tempo de construção; inexistência de desperdício de materiais empregados; altíssimo rendimento final; e a certeza de se ter um produto que atenda plenamente as condições básicas necessárias a sua aplicação como segurança, durabilidade e praticidade.

[036] Todos estes atributos permitem classificar o "Conversor de Energia Termomecânico" como um meio totalmente versátil, eficiente, preciso, prático, ecológico, e seguro, para realizar trabalho útil ou na conversão termomecânica de energia de forma limpa, renovável, a ser aceita pelas empresas de geração de energia e pela comunidade, sendo ainda de grande facilidade de operação e manutenção, aliada ao alto desempenho e excelentes características gerais, contudo as dimensões formas de instalações podem variar diretamente de acordo com as necessidades do ambiente ou do projeto.

Claims (13)

1) “CONVERSOR DE ENERGIA TERMOMECÂNICO”, concebe duas ou mais unidades vedadas (4 e 5) tendo nesta dois ou mais conjuntos de discos cilíndricos estatores (34), segmentados e intercalados por seções quentes (27 e 32) e seções frias (28 e 33) em forma de frações de tal disco cilíndrico estator (34), cada uma tendo placas e dutos paralelos ou serpentinas internas (29) através das quais passam os fluidos quentes e frios, tais fluidos respectivamente aquecendo e resfriando o gás de trabalho passando entre as placas; e um rotor central formado por um eixo cilíndrico oco (22) tendo externamente dois conjuntos de espelhos (19), um conjunto para cada unidade vedada (4, 5), formados por lâminas sólidas (20) feitas de material isolante térmico e em forma de frações de um disco cilíndrico, colocado simetricamente em um ângulo e intercalado por seções ocas da mesma forma, que, quando em giro, deslocam o gás de trabalho entre as seções quentes (27 e 32) e frias (28 e 33) dos discos cilíndricos do estator (34), proporcionando para a expansão e retração do gás, respectivamente, e então criando diferencias de pressão que, através de um circuito externo, forçam a passagem do gás através de uma turbina (10) ou um motor, o gás que continua posteriormente em direção à unidade vedada (4, 5) com a pressão mais baixa, caracterizado por o eixo do rotor central (22) conter perfurações (21) limitadas a suas respectivas unidades vedadas (4 e 5) permitindo a passagem livre do gás entre os espaços ocos do rotor e as seções ocas dos espelhos (19).

2) “CONVERSOR DE ENERGIA TERMOMECÂNICO”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por conter placas retangulares (30) para isolamento térmico entre os lados das seções quentes (27 e 32) e frias (28 e 33) dos discos do cilindro estator (34).

3) “CONVERSOR DE ENERGIA TERMOMECÂNICO”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por conter anéis centrais (31) para isolamento térmico que separa, sem contato, as bases das seções quentes (27 e 32) e frias (28 e 33), formando o estator do eixo giratório do rotor (22), com a finalidade de minimizar o fluxo de calor entre o eixo (22) e o estator.

4) “CONVERSOR DE ENERGIA TERMOMECÂNICO”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender dentro das unidades vedadas (4 e 5) um cilindro de isolamento térmico (63) que carrega o rotor, estator e o gás, isolando-os da carcaça externa (62).

5) “CONVERSOR DE ENERGIA TERMOMECÂNICO”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os discos do cilindro estator (34) ter duas, três ou mais seções quentes (27 e 32) e um número igual de seções frias (28 e 33).

6) “CONVERSOR DE ENERGIA TERMOMECÂNICO”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os espelhos do rotor (19) serem feitos de um material simétrico térmico isolante, com exatamente a metade da soma do número de seções quentes (27 e 32) e frias (28 e 33) de cada disco do cilindro estator (34) que ocupa todo o espalho do gás alternativamente entre as áreas quentes e frias independente do eixo (22) que forma o sistema de força.

7) “CONVERSOR DE ENERGIA TERMOMECÂNICO”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os fluídos térmicos quentes e frios circularem dentro de dutos e serpentinas (29), aquecendo ou esfriando as placas laterais do disco do cilindro estator (34), e estando então no contato térmico mais próximo possível com o gás de trabalho que gera sua expansão e retração e, portanto, também gera o trabalho.

8) “CONVERSOR DE ENERGIA TERMOMECÂNICO”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o rotor central conter um eixo (22) comum para todas as unidades vedadas (4 e 5). 9) “CONVERSOR DE ENERGIA TERMOMECÂNICO”, de acordo com as reivindicações 1 e 6, caracterizado por o eixo do rotor central (22) conter um conjunto de espelhos (19) para cada unidade vedada (4 e 5), onde cada conjunto é equipado com lâminas (20) colocadas alternadamente em relação às outras para operar rotacionalmente e em ciclo contínuo ou ainda em um ciclo pulsante.

10) “CONVERSOR DE ENERGIA TERMOMECÂNICO”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os discos cilíndricos do estator (34) serem fixados nas paredes internas das unidades vedadas (4 e 5).

11) “CONVERSOR DE ENERGIA TERMOMECÂNICO”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o conversor possuir mais de duas unidades vedadas (4 e 5) que podem ser 4 e 6, ou mais, sempre em pares.

12) “CONVERSOR DE ENERGIA TERMOMECÂNICO”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o eixo do rotor (22) operar dentro das unidades vedadas (4 e 5) e independentemente do eixo da força do motor.

13) “CONVERSOR DE ENERGIA TERMOMECÂNICO”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as duas unidades vedadas (4 e 5) estarem combinadas por meio de um duto ou circuito externo, que passam através de uma turbina (10) ou eixo do motor, para a conversão do fluxo de gás em energia mecânica.

14) “CONVERSOR DE ENERGIA TERMOMECÂNICO”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o gás de trabalho ser o hélio.

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