PT85987B

PT85987B - Dispositivo de ressonancia de gas

Info

Publication number: PT85987B
Application number: PT85987A
Authority: PT
Original assignee: Haser Co Ltd
Priority date: 1986-11-06
Filing date: 1987-10-23
Publication date: 1993-08-31
Also published as: IE872987L; PT85987A; GB8626562D0; EP0267727B1; KR880006449A; FI874918A; CN87107633A; NO173708C; ES2030073T3; AU8081487A; DE3776626D1; NO874621L; CN1012195B; IE60748B1; JPS63220009A; IN170273B; ATE72481T1; NO874621D0; AU608782B2; FI874918A0

Description

''Dispositivo de ressonância de gás para que ALAN ARTHIR WELLS, pretende obter privilégio de invenção em Portugal.

A presente invenção refere-se a um dispositivo de ressonância de gás accionado termicamente que compreende um tubo de ressonância (3) cuja secção transversal se dilata ao longo do seu comprimento de uma extremidade até à outra, uma fonte de calor (2) localizada numa extremidade do tubo de res sonância, e meios (2, 4) para pôr em vibração um gás no tubo de ressonância. A fonte de calor (2) é preferivelmente uma fon te de calor vibratória que tem uma frequência de repetição de vibração correspondente a uma frequência ressonante do tubo de ressonância de gás (3). A energia mecânica produzida no gás em vibração no dispositivo de ressonância de gás pode ser utilizada para accionar um separador de gás de pressão oscilatória por meio da inclusão de um leito (16) de material de crivo molecular na outra extremidade do tubo de ressonância (3). Como variante, a energia mecânica pode ser utilizada para accionar uma bomba térmica (19). Neste caso, é instalado um dispositivo absorvedor de calor (21) na outra extremidade do tubo de ressonância (3), é instalado também um regenerador (20) contiguamente à outra extremidade, proporcionando os meios (8) no lado do regenerador (20) voltado para a fonte térmica (2) a permuta de calor entre o gás no tubo de ressonância (3) e uma fonte de calor de fraca intensidade.

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-2MEMÓRIA DESCRITIVA

Numa coluna vibratória de gás, uma zona pequena do gás é deslocada inicialmente numa direcção, é comprimida, re cua na direcção oposta e expande-se. Durante a compressão, o gás é aquecido e, durante a expansão, é arrefecido. guando uma coluna vibratória de gás deste género é posta em contacto com um meio sólido estacionário, há transferência de calor entre o gás e o meio. Quando o meio tem grande capacidade calorífica efectiva, em comparação com a do gás, e pequena condutividade térmica na direcção de avanço de vibraçSes do gás, armazena calor adquirido em consequência da compressão adiabática do gás e, seguidamente, devolve este calor ar mazenado ao gás depois da sua expansão. Enquanto que isto é assim para zonas de gás que estão sempre localizadas contígua mente ao meio, a situação é diferente nas extremidades do meio. Na extremidade a jusante do meio, quando considerada na direcção de avanço da vibração, uma zona de gás que está em contacto térmico com as extremidades do meio desloca-se numa direcção, afastando-se do meio e é comprimida durante a vibração. 0 gás é aquecido quando comprimido. Quando depois é deslocado na outra direcção e se expande, volta à sua posição adjacente à extremidade do meio. Aqui, visto que arrefece du rante a expansão, o gás aceita de novo calor do meio. Isto dá origem a uma zona de gás aquecido a jusante a partir da extre midade jusante do meio. Inversamente, na extremidade montante do meio, partículas de gás que não estão normalmente em con tacto com o meio avançam numa direcção durante a vibração, são comprimidas e aquecidas e, em seguida, na sua posição avançada, estão em contacto térmico com o meio, dando assim calor ao meio, λ medida que esta zona de gás recua na direcção oposta para voltar à sua posição inicial, expande-se e arrefece. Vis to que na sua posição inicial as partículas de gás estão fora de contacto térmico com o meio, isto dá origem a uma zona fria a montante da extremidade a montante do meio.

Esse meio localizado numa coluna de gás vibratória é geralmente denominado regenerador e é frequentemente utili

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Ref: 80/2559/47 zado com motores de ciclo Stirling. Em geral, um regenerador deste género deve ter uma área superficial tão grande quanto possível, uma grande capacidade calorífica efectiva em compa ração com a do gás e uma pequena condutividade térmica ao longo da direcção de deslocação do gás. Convencionalmente, têm-se utilizado blocos de fio metálico aleatoriamente bem empilhado como regenerador, mas também se podem utilizar pilhas bem comprimidas de placas não metálicas e estas são mais eficientes quanto a perdas de gás por atrito e transferência de calor. Assim, a utilização de um regenerador permite que se estabeleça uma diferença de temperatura a partir de um fluxo de gás vibratório. Inversamente, também se sabe que se/aplicar uma diferença de temperatura com valor suficiente através de um regenerador desse tipo, se induzem espontaneamente vibrações no gás que rodeia esse regenerador.

Sabe-se também que se podem criar vibrações numa coluna de gás localizada numa câmara de ressonância, simplesmente por meio da aplicação de calor a uma extremidade da câmara, se/^riar um diferencial de temperatura suficientemente grande. Como exemplo, pode recordar-se que uma chama de hidro génio, colocada na base de um tubo de órgão, faz ressoar o tubo, conforme foi demonstrado por Higgins em 1777, e podem citar-se ainda as vibrações de Taconis, descritas em 1949, quando se coloca um tubo que está à temperatura ambiente num recipiente de armazenamento criogénico.

Encontra-se uma exposição fundamentada destes efeitos num artigo de Wheatley, Hofler, Swift e Migliori intitulado Um motor termoacústico intrinsicamente irreversível, publicado no American Journal of Physics, Volume 53 (2), Fevereiro de 1985, página 147.

De acordo com a presente invenção, um dispositivo de ressonância de gás accionado termicamente compreende um tubo de ressonância que se dilata em secção transversal ao longo do seu comprimento de uma extremidade até à outra, uma fonte de calor localizada numa extremidade do tubo de ressonância, e meios para pôr em vibração um gás no tubo de ressonância.

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-4A fonte de calor pode ser formada por um calorífero indirecto simples no qual a fonte do calor, por exemplo um elemento de aquecimento eléctrico ou um conjunto queimador de gás ou óleo, é utilizada para aquecer uma placa que se forma ou está colocada numa extremidade do tubo de ressonância de gás. Preferivelmente, a placa aquecida tem aletas para aumentar a transferência de calor da placa para o gás numa extrem_i dade do tubo de ressonância. Pode colocar-se um regenerador no tubo de ressonância, próximo mas sem contacto com a placa aquecida e do meio para provocar as vibrações. 0 regenerador é constituído por um material que tem uma grande área superficial, uma grande capacidade de calor efectivo, em comparação com a do gás que está no tubo de ressonância e uma peque ra cor.dutividade térmica, ao longo do comprimento do tubo de ressonância, estando a disposição feita de maneira que, quan do é utilizada, a fonte de calor estabelece um grandiente de temperatura ao longo do regenerador que põe em vibração o gás no tubo de ressonância.

No entanto, é muito mais preferido que a fonte de calor e o meio para pôr em vibração o gás no tubo de ressonân cia sejam ambos formados por uma fonte de calor vibratória que tem uma frequência de repetição de vibração correspondente a uma frequência ressonante do tubo de ressonância de gás. Uma fonte de calor vibratória deste género pode compreender um queimador vibratório ou uma chama ressonante alimentada com uma quantidade previamente misturada de gás ou vapor inflamável e ar através de uma válvula, seguida por um dispositivo anti-retorno de chama, e um dispositivo de ignição inicialmente para inflamar a mistura numa extremidade do tubo de ressonância ou numa câmara de combustão que conduz para o tubo de resi sonância. Preferivelmente, a válvula que dá entrada à mistura é formada por uma válvula sem retorno regulada que, em respos ta à combustão vibratória, oscila entre os estados aberto e fechado para deixar entrar porções de mistura numa extremidade do tubo de ressonância ou da câmara de combustão para inflamação subsequente. A utilização da fonte de calor vibratória

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-5pôr em vibração o gás no tubo de ressonância proporcio, seguido por para na um início fácil numa gama ampla de condições funcionamento ressonante estável. 0 dispositivo de inflamação pode ser formado por uma vela de ignição para provocar a inflamação inicial da fonte de calor vibratória, mas depois de inflamada, a fonte de calor vibratória é preferivelmente auto-sustentada. Isto pode suceder em consequência de porções subsequentes de mistura serem inflamadas pela cida de uma vibração de combustão precedente, de inflamação espontânea devida a uma onda de ao facto de o dispositivo de inflamação ter a aquecimento de motor Diesel que proporciona um ponto sobrea chama enfraqueetn consequência compressão ou forma de vela de quecido local para provocar a inflamação.

A fonte térmica vibratória pode incluir também um calorífero indirecto localizado numa extremidade do tubo de ressonância. 0 calorífero indirecto pode ser formado por uma superfície permutadora de calor aquecida pela fonte térmica vibratória para espalhar o calor de combustão de maneira essencialmente uniforme sobre a área de secção transversal de uma extremidade do tubo de ressonância. Preferivelmente, quan do o dispositivo de ressonância de gás inclui um queimador vibratório, uma extremidade do tubo de ressonância tem a forma de um reflector parabólico que difunde o efeito da combustão vibratória mais uniformemente sobre a extremidade do tubo de ressonância. Neste caso, a combustão vibratória é preparada de maneira a fazer-se essencialmente no foco do refLector parabólico. Quando o dispositivo de ressonância de gás inclui uma fonte de calor vibratória, pode incluir também um regenerador que coopera com um gradiente de temperatura que se mantém através do regenerador para amplificar as vibrações induzidas pela fonte de calor vibratória.

Com todas estas disposições para gerar vibrações no gás, é necessário dispor a forma do tubo de ressonância tanto para proporcionar a pressão relativa necessária e as amplitudes de temperatura adiabáticas das duas extremidades do tubo, como para minimizar as perdas por atrito de parede do gás que

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-6tendem para impedir as vibrações ressonantes do gás. Com o tubo de ressonância a dilatar-se em secção transversal a par tir de uma extremidade até à outra, criam-se pressão e ampli tudes adiabáticas maiores na extremidade pequena em comparação com a extremidade grande, e isto será subsequentemente explicado dinamicamente de maneira pormenorizada. Preferível mente, o tubo de ressonância tem geralmente forma frusto-cónica com a proporção do diâmetro da base para a altura aproximadamente igual a 1:3. Em primeiro lugar, isto proporciona uma proporção diâmetro para comprimento para a vibração longitudinal que se pode pensar num êmbolo de gás tão grande quanto praticamente possível, minimizando por este meio as perdas por atrito de parede. A frequência ressonante do tubo de ressonância depende principalmente do seu comprimento e é independente da forma do tubo de ressonância a apresentar uma secção transversal de área crescente desde uma extremidade até à outra, é possível aumentar a massa de gás que vibra e diminuir por este meio a sua velocidade para uma proporção da da de compressão de volume. As perdas por atrito são proporcionais ao cubo da velocidade do gás, e, por conseguinte, isto diminui de maneira considerável as perdas por atrito para aumentar os rendimentos obtidos com o dispositivo de ressonân cia. Preferivelmente, o tubo de ressonância tem uma forma frus to-ogival em secção longitudinal, pelo que, quando são vistas em secção transversal, as suas paredes laterais são curvas. Isto proporciona um aumento adicional da massa de gás vibratória mais próximo da primeira extremidade e melhora ainda mais por isso a diminuição das perdas de atrito.

A energia mecânica produzida no gás vibratório no dispositivo de ressonância de gás pode ser utilizada para accionar um separador de gás por oscilação de pressão com um material de crivo molecular. Uma das disposições mais simples é utilizar o dispositivo de ressonância de gás num aparelho para a separação por oscilação de pressão de oxigénio a partir de ar. Neste caso, a outra extremidade do tubo de ressonância contém um material de crivo molecular, e há uma abertura de

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-7permuta de gás no lado do material de crivo molecular próximo da fonte de calor e há uma saída de gás no lado do material de crivo molecular afastado da fonte de calor. Durante a vibração, quando há deslocação de ar para diante através do lei. to de material de crivo molecular, o material de crivo molecu lar adsorve preferencialmente azoto. Quando há deslocação de ar para trás, cria-se uma pressão reduzida e os gases adsorvidos sobre a superfície do material de crivo molecular são desadsorvidos. Assim, quando o material de crivo molecular é submetido às vibrações geradas no tubo de ressonância, há ten dência para o azoto, que é preferencialmente adsorvido pelo material de crivo molecular, regressar ao interior do tubo de ressonância e, portanto, sair pela abertura de permuta de gás, enquanto que o oxigénio, que é menos adsorvido pelo material de crivo molecular, tende para ser arrastado através do leito do material de crivo molecular e sair pela abertura de gás no lado a jusante do material de crivo molecular. As deslocações finitas do gás que se produzem durante a vibração criam uma pressão média um pouco maior que a pressão ambiente no tubo de ressonância, pelo que se produz um fluxo contínuo de oxigénio separado que emerge abaixo do leito de material de crivo molecular.

Em geral, o material de crivo molecular é uma zeolite dilatada, mas também se pode empregar carvão activado. 0 material de crivo molecular tem preferivelmente uma área super ficial para permitir uma grande velocidade de adsorção de azo to, e observou-se que a velocidade cumulativa de adsorção e desadsorção é proporcional à oscilação de pressão e quase inde pendente da velocidade do ciclo.

Numa forma de realização alternativa, a energia mecânica produzida no gás que vibra no tubo de ressonância é uti lizada para accionar uma bomba de calor. Neste caso, o dispositivo de ressonância de gás inclui um dispositivo absorvedor de calor na sua outra extremidade, um regenerador instalado junto da outra extremidade e meios no lado do regenerador prçí ximo da fonte de calor para fazer a permuta de calor entre o

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-8gás que está no tubo de ressonância e uma fonte de calor de fraca intensidade.

Com esta disposição, os efeitos descritos anteriormente são utilizados para proporcionar uma bomba de calor accionada por um motor térmico. Desta maneira, as vibrações do gás que se encontra no tubo de ressonância são aplicadas ao regenerador para produzir um diferencial de temperatura através do regenerador, com o gás a jusante do regenerador na outra extremidade do tubo de ressonância a ser aquecido e o gás a montante do regenerador a ser arrefecido. A permuta de calor que se efectua a montante do regenerador proporciona o calor para a expansão do gás a montante a partir do regenerador e proporciona a fonte do calor que é transferido por bomba para proporcionar uma parte do calor retirado pelo dispos_i tivo absorvedor de calor na outra extremidade do tubo de ressonância. Além disso, o dispositivo absorvedor de calor na outra extremidade do tubo de ressonância recebe também calor proporcionado pela fonte de calor. A requerente criou a sigla HASER para descrever este tipo de bomba de calor accionada por motor térmico, sigla esta que significa Heat Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Aplicação de Calor por Emissão Estimulada de Radiação) por analogia com as siglas láser e máser.

Quando a fonte de calor de fraca intensidade é a atmosfera, prefere-se que se efectue uma permuta directa de calor entre a atmosfera e o gás numa zona a montante do regenerador. Para proporcionar esta permuta de gás há aberturas na parede do tubo de ressonância na posição de um ponto de pressão nula. Quando as vibrações longitudinais descem pelo tubo de ressonância, o gás atmosférico tende para ser arrastado para dentro do tubo de ressonância através das aberturas, depois de a vibração de compressão ter passado pelas aberturas. 0 gás que é arrastado para dentro do tubo de ressonância a partir da atmosfera mistura-se depois com o gás que está no tubo de ressonância, o que dá origem a uma permuta de calor entre o gás proveniente da atmosfera e o gás que já está no

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-9tubo de ressonância. A vibração seguinte tende para arrastar o ar atmosférico agora arrefecido para fora das aberturas.

No entanto, é preferível que o haser inclua também um ventilador para arrastar ar da atmosfera através dos tubos de Dermuta de gás para dentro do tubo de ressonância. De preferência, uma câmara exterior rodeia o tubo de ressonân cia com o ventilador colocado no cimo, isto é, na extremidade do tubo de ressonância que tem a fonte de calor e um deflector anular ondulado contíguo às aberturas de permuta de calor para dirigir ar soprado pelo ventilador através de metade das aberturas e deixar ar frio sair da outra metade das aberturas e circular através da porção inferior da câmara exterior. 0 ar que circula através da câmara exterior absorve o calor cedido pela fonte de calor e pela parte superior do tubo de res sonância de gás e este calor é reintroduzido no sistema como parte do calor de fraca intensidade, melhorando assim a produção de calor do haser.

A dilatação da secção transversal do tubo de resso nância desde uma extremidade até à outra tem outras vantagens num haser. As áreas de secção transversal relativas das duas extremidades determinam a relação de compressão nelas criada. Uma secção transversal pequena dá origem a uma relação de compressão grande e vice versa. 0 efeito disto po de ser deduzido da teoria acústica das pequenas deslocações e é descrito adiante para este exemplo particular. A secção transversal crescente do tubo de ressonância desde uma extremidade até à outra dá origem a uma relação de compressão gran de na extremidade de accionamento e uma relação de compressão pequena na extremidade da bomba e isto proporciona a eficiência térmica óptima.

dispositivo absorvedor de calor colocado na outra extremidade do tubo de ressonância pode compreender um tanque pouco profundo de água e, neste caso, prefere-se que aletas de ura bom condutor térmico, por exemplo metal, estejam em contacto térmico com o tanque de água e se prolonguem no espaço entre o tanque de água e o lado jusante do regenerador.

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-10Um absorvedor de calor deste género tem um bom contacto térmico com o gás quente a jusante do regenerador. A água que se encontra no tanque é circulada em volta de um sistema para afastar o calor da outra extremidade do tubo de ressonância e este sistema de circulação pode incluir válvulas sem retorno em ambos os lados do tanque de maneira que a água é impelida á roda do sistema peias flutuações de pressão no in terior do tubo de ressonância que actua sobre a superfície da água que está no tanque.

Um haser deste género tem aplicação particular co mo gerador de água quente para utilização no aquecimento e ar refecimento de um edifício residencial. 0 haser é colocado em geral no espaço de telhado de um edifício, e, no inverno, o espaço de telhado é ventilado ou conduz-se para lá ar do ex terior, de maneira que o ar proporciona a fonte de calor de fraca intensidade . 0 dispositivo absorvedor de calor que está na outra extremidade do tubo de ressonância é utilizado para aquecer água a uma temperatura de por exemplo 40°C e esta água é utilizada para necessidades domésticas de água quen te e circula em volta de um sistema de aquecimento central do edifício. Durante o verão, o haser é utilizado para proporcionar arrefecimento ao edifício, fechando-se a ventilação do espaço de telhado e abrindo escapes de arrefecimento nos tectos das divisões que estão por baixo do espaço de telhado ou conduzindo para as divisões o ar que sai do haser. A água proveniente do dispositivo absorvedor de calor na outra extre midade da câmara de ressonância é utilizada para necessidades domésticas de água quente e é também conduzida para um permutador de calor no exterior do edifício, onde é arrefecida. 0 ar frio resultante que é descarregado do tubo de ressonância arrefece o espaço de telhado, e, por sua vez, sai através dos escapes de arrefecimento existentes nos tectos, ou arrefece o edifício por intermédio das condutas.

Pode combinar-se um separador de gás por oscilação de pressão com um haser, se colocar material de crivo molecular na cavidade de ressonância que está por cima do regene

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-11rador . Com esta combinação, o ar que sai pelas aberturas de saída é frio e tem grande conteúdo de azoto. Esse ar é bom para conservar produtos perecíveis, e um dispositivo combinado deste género proporciona uma fonte de ar frio enriquecido com azoto facilmente portátil e autónoma.

Vai ser agora descrito um exemplo particular de um haser de acordo com a presente invenção, com referência aos desenhos anexos, nos quais:

a Figura 1 é um alçado lateral em corte parcial de um separador de gás por oscilação de pressão;

a Figura 2 é um alçado lateral em corte parcial de um haser ;

a Figura 3 é uma vista em corte transversal de uma fonte de calor;

a Figura 4 é um esquema que representa as dimensões do tubo de ressonância e das deslocações de gás;

a Figura 5 é um gráfico que mostra as características do tubo de ressonância;

a Figura 6 é outro gráfico que mostra a maneira como as amplitudes de deslocação e densidade variam em relação ao tempo,ao longo do comprimento do tubo de ressonância;

a Figura 7 é ainda outro gráfico que mostra o efeito de correcção ogival; e, a Figura 8 é um diagrama de temperatura em relação a posição para representar o funcionamento do regenerador.

Tanto o separador de gás por oscilação de pressão representado na Figura 1 como o haser representado na ligu ra 2 incluem um motor térmico 1 constituído por uma fonte de calor vibratória 2 montada numa extremidade de um tubo de res sonância 3 que é ogival em secção longitudinal. As dimensões totais do tubo de ressonância 3 são estabelecidas de maneira que a altura é aproximadamente três vezes maior que o diâmetro da base. Pode colocar-se um regenerador 4 junto do topo do tubo de ressonância e o regenerador é feito com um alvéolo não metálico que é feito em geral de vidro ou material aná logo ao vidro. Uma câmara anular concêntrica exterior 5 rodeia

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-12o tubo de ressonância 3, e um ventilador 6 accionado por corrente eléctrica está montado no topo para insuflar ar de cima para baixo através da câmara 5. Um deflector 7 anular ondulado dirige o fluxo de ar através de furos 8 abertos alternados, feitos na parede lateral do tubo de ressonância 3 num ponto de pressão nula. Descarrega-se ar através dos outros furos 8 e de uma porção inferior da câmara exterior 5. Os furos abertos 8 produzem o fluxo de orifício e, portanto, o flu xo de ar para dentro através de furos 8 alternados é fortemen te convergente, o que assegura que a carga e dèscarga através dos furos 8 não se mistura de maneira indevida.

A fonte de calor vibratória 2 está representada de maneira mais pormenorizada na Figura 3 e compreende um espaço 9 de mistura de gás ao qual se fornecem gás e ar e no qual são misturados, uma válvula sem retorno ressonante 10 com frequência ressonante análoga ã do tubo de ressonância 3, e um dispositivo anti-retorno de chama 11. A válvula sem retorno ressonante 10 pode ser análoga às montadas em motores de dois tempos e compreende um furo aberto 12 coberto por uma placa flexível 13 que está fixada ao longo de uma borda ao furo 12. Em resposta à pressão instantânea maior dentro do tubo de ressonância 3 do que no espaço de mistura de gás 9, a válvula mantém-se fechada com a placa flexível 13 a formar um vedante contra as bordas do furo 12, e em resposta a uma diminuição instantânea da pressão no tubo de ressonância 3 em relação à do espaço de mistura de gás 9, a placa flexível 13 dobra-se para deixar a mistura de gás e ar passar pelo furo 12 e para dentro do tubo de ressonância 3. Numa forma de realização preferida que conduz ao fornecimento de mistura de gás mais próxima em fase com o impulso de compressão da câmara de ressonância e assim ao aperfeiçoamento concomitante da combustão vibratória, consistindo a válvula sem retorno ressonante de um disco de metal de diâmetro relativamente grande, colocado co-axialmente à câmara de combustão, fixado pelas suas bordas a uma chapa de base ligeiramente côncava na qual o dispositivo anti-retorno de chama está centralmente localizado. A mis

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-13tura de gás é introduzida a baixa pressão num anel tubular interno perto das bordas fixadas e é assim alimentado radia_l mente para dentro em impulsos na direcção do dispositivo anti-retorno de chama. 0 disco tem uma espessura tal que a sua frequência natural de vibração axial é mais baixa do que a da cavidade de ressonância, de modo que o efeito combinado do amortecimento de gás e os impulsos de pressão da cavidade, pro duz no disco vibração de fase substancialmente oposta à frequên cia ressonante da cavidade. Estas vibrações introduzem a mistura de gás através do dispositivo anti-retorno de chama para a câmara de combustão no instante em que a pressão sobe em vez de no instante de máxima sucção, diminuindo o primeiro a extensão da combustão prematura que é ineficiente em relação ao funcionamento do motor térmico. A fonte de calor vibratória 2 inclui também uma vela de ignição 14 e o topo do tubo de res sonância 3 tem a forma de um reflector parabólico 15 que difunde o efeito da fonte térmica vibratória de maneira essencial mente uniforme sobre a extremidade do tubo de ressonância 3.

motor térmico 1 acciona uma vibração de gás de cima para baixo no tubo de ressonância 3 e a massa de gás em vibração vertical funciona como um êmbolo que produz variações de pressão e temperatura adiabáticas no topo e na base do tubo 3. As vibrações são originadas pela vela de ignição 14 que inflama inicialmente a mistura de gás e ar introduzida no topo do tubo de ressonância 3 e, em seguida, quando o gás que está no tubo 3 começa a ressoar e a válvula 10 introduz porções sucessivas de mistura, estas porções são inflamadas pela chama enfraquecida proveniente da inflamação anterior. Isto produz uma combustão vibratória que, num dispositivo que tem um tubo de ressonârcia com o comprimento de aproximadamente 1 metro, tem uma frequência de repetição de aproximadamente 200 Hz. 0 regenerador 4 aumenta, a eficiência do motor térmico 1, ao aumentar a temperatura da extremidade superior do tubo de ressonância 3 e ao aumentar a amplitude das vibrações produzidas.

motor térmico 1 que acaba de ser descrito pode ser utilizado para proporcionar a entrada de energia mecânica para

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-14um separador de gás por oscilação de pressão e, neste caso, conforme está representado na Figura 1, coloca-se um Leito pouco Drofundo 16 de uma zeolite que adsorve preferencialmen te azoto próximo da extremidade inferior do tubo de ressonân cia 3 e a base do tubo de ressonância é fechada por meio de uma placa 17 que inclui uma saída de gás 18. Durante a vibra ção ressonante no tubo de ressonância 3, enquanto o ar se des loca para diante dentro do leito de zeolite 16, esta adsorve preferentemente azoto. Enquanto o ar se desloca para trás, cria-se uma pressão reduzida e os gases adsorvidos sobre a superfície da zeolite são desadsorvidos, de maneira que se desadsorve ar rico em azoto. Devido às deslocaçães finitas de gás que se produzem durante a vibração, a pressão média dentro do tubo de ressonância 3 é maior que a pressão atmosférica, de maneira que um fluxo de gás passa através do leito de zeolite 16, provocando um fiuxo de gás que sai pelo tu bo 18 que é rico em oxigénio, enquanto que o fluxo de gás que sai dos furos 8 e através da parte inferior da câmara 5 é rico em azot o .

motor térmico 1 pode ser utilizado, em alternativa, para proporcionar a energia mecânica p^ra accionar uma bomba de calor 19. Uma bomba de calor accionada por motor tér mico tem um coeficiente global de actuação (overall coefficient of performance) (COP) dado por qqP _ saída de calor de fraca intensidade entrada de calor de forte intensidade maior que a unidade, desde que o coeficiente adiabático de temperatura da primeira exceda significativamente a da segunda. A saída de calor também pode ser completada directamente por calor expelido do motor térmico 1. A parte de bomba térmica 19 do aparelho compreende um regenerador 20, que é feito de um alvéolo não metálico que é geralmente feito de vidro ou de material análogo a vidro, e um dispositivo absorvedor de calor 21. 0 dispositivo absorvedor de calor 21 é

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-15formado por um tanque pouco profundo de água 22 na extremidade de grande diâmetro do tubo de ressonância 3, e há aletas metálicas 23 em contacto térmico com o tanque pouco profundo de água 22 que se prolongam dentro do tubo de ressonância 3 em direcção ao regenerador 20. 0 ar, que neste caso proporciona a fonte de calor de fraca intensidade, entra e sai pelos furos 8 e a bomba térmica 19 extrai calor deste ar e trans fere-o para a água 22 que está no dispositivo absorvedor de calor 21.

Desta maneira, em funcionamento, as vibrações de gás são induzidas pelo motor térmico 1 no interior do tubo de res sonância 3. Estas vibrações proporcionam a energia para accio namento da bomba de calor 19, incluindo o regenerador 20. Enquanto o gás vibra em volta do regenerador 20, o espaço sob o regenerador 20 aquece e o espaço acima do regenerador 20 arrefece. 0 fluxo de ar através dos furos 8 mistura-se com o gás que está no tubo de ressonância 3 e cede calor ao gás no tubo de ressonância acima do regenerador 20. 0 dispositivo absorvedor de calor 21 retira o calor acumulado sob o regenerador 20 .

Em geral, o nível do tanque pouco profundo 22 de água que circula no dispositivo absorvedor de calor é controlado por uma válvula flutuante (não representada) . Uma entrada e saída de água para o tanque 22 inclui válvulas sem retorno (não representadas) e as vibrações de gás criadas no tu bo de ressonância 3 actuam sobre a superfície da água no tanque 22 e dão origem à circulação da água através das válvulas sem retorno de entrada e saída. Geralmente, a temperatura de saída da água é de aproximadamente 40°C, e esta água pode ser utilizada como fonte de água quente doméstica ou como fonte de água quente para movimentar um sistema de aquecimento central. Tipicamente, monta-se um haser como o descrito neste exemplo no espaço do telhado de uma casa que é ventilada no inverno para deixar que ar proveniente da atmosfera proporcio ne a fonte de calor de fraca intensidade que entra e sai pelos furos 8. Se desejar arrefecer o edifício durante os meses

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Ref: 80/2559/47 de verão, fecham-se ventiladores para o espaço de telhado e abrem-se as chaminés de tecto para deixar que o ar frio gera do pelo haser gravite no interior da casa. Neste caso, a água quente descarregada do dispositivo absorvedor de calor 21, depois de terem sido satisfeitas as necessidades de água quente para uso doméstico, é passada para um permutador de calor atmosférico no exterior do edifício para dissipar o calor gerado no haser antes de ser recirculada. 0 valor pretendido do COP para um haser deste género seria 2 no modo de aquecimento .

Vão descrever-se agora os pormenores da dinâmica da ressonância de gás, a desejabilidade da forma ogival da câmara de ressonância, uma descrição das perdas por atrito de parede e uma descrição das características do regenerador 20.

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-17Dinâmica de Ressonância de Gás

E necessário fazer um estudo quantitativo de movimentos de gases para conceber um haser. As deslocações elás ticas lineares de um sólido ou fluido uniforme numa configuração paralela (Figura 3a) obedecem à equação conhecida:

_Λ2 _n2 <* _ _P29 oc ãt^ ^u (D na qual é deslocação na distância de referência x , t é o período de tempo e c é a velocidade do som. Para uma onda regular num tubo com extremidades fechadas, no qual a secção trans versai é também uniforme, é proporcional a:

seno ττ x seno TT ct

X

A equação correspondente para simetria esférica, aplicável a fluxo vibratório num cone truncado, é conhecida desde os tempos de Cauchy e Poisson, e é:

(2) em que r é definido como na Figura 4b. Em ambos os casos

em que Y é o coeficiente de calor específico e p é a pressão O média à qual a densidade é ρθ . Quando o cone é truncado nos raios b e a, pode verificar-se com facilidade que uma solução de onda regular com constante arbitrária A é:

ro< = Δ1 sin (r-b) sin donde vém:

Ή / X sin T ( r-b) cZ = A -----*-------- sin

Ur Λ i

que se anula para r=b e r=a, visto que a-b=l. No que se segue

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-18convém fazer:

= ω donde vém

Vr _ _a TTb ~r - —

(4) f · 2 Θ¹

Θ’ é máximo quando ^g = 0, donde Θ = tg ser resolvida em termos de θθ para valores (θ-θ₀), que pode particulares de Θ, como na Figura 5, tendo em conta que ^θ-θο

ΤΓ a distância da posição máxima a partir da extremiem que d é pequena .

Desprezando quantidades pequenas de segunda ordem, densidade instantâneo é:

dade pode ver-se í^{1 +} +

s

que o	coeficiente de
2* ₊	Ί	-1
r	J
- cos r	Oú t	£ cos (Θ - Θ

o> ⁺ sin (9 (5) que igual unidade quando 0 calcular (θ-θθ), e é resolvida com os resultados apresendeslocação e velocidade máxi= - tg d ' ΊΓ a

da mesma maneira para tados na Figura 5. Vê-se que a mas ocorrem numa posição deslocada do ponto intermédio junto da extremidade pequena do cone, e o ponto de densidade e pres^ são nula está deslocado numa distância correspondente junto da extremidade grande.

Os valores extremos de p da equação 5 são obtidos quando cos opt e cos (θ-θθ) são ambos tl, de maneira que os relaçães de compressão de volume m_Q e podem ser definidos em relação às extremidades pequena e grande respectivamente.

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-19Port anto:

	1 +	A	1 +
			b		a
m				m =

0		1 -	A ’	1	1 - Δ
		b		a

(6)

Se m e & são especificados, pode eliminar-se A pela dedução a partir da equação 6 que:

Por outro lado, pode deduzir-se das equações 3 ou 4, em com-

binação com	a Figura 5,	para qualquer ponto à distância x da
extremidade	pequena que	• •
	m - 1	sin —
θ’ ⁼ nr-	0	1 - ----7 ------r—
	m + 1 0

(8)

Em particular, x - d para deslocamento ou velocidade máxima, e x - d' para o correspondente deslocamento ou velocidade no ponto de variação nula de densidade ou pressão. No entanto, quando se têm em conta as deslocações finitas como no traçado de valores extremos de -~θ- em relação -y- representado na Figura 6, vê-se que o valor real de -|θηο ponto nulo é reduzido proporcionalmente ao valor de referência unidade. 0 valor des ta redução proporcional Δ-—· pode ser calculado a partir da inclinação das curvas deduzidas da equação 5, referi66 816

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-20da ao ponto nulo e multiplicada pela deslocação relevante.

obtido da equação 8 com x = d' . Pode observar-se a partir disto que existe um excesso médio de densidade e pressão média equivalente para aplicações de ciclo aberto, visto que a entrada e a saída têm de ser equilibradas.

A análise precedente baseia-se conforme exposto em relações elásticas lineares, que se realizam com gases apenas em deslocamentos pequenos. 0 comportamento adiabático é não linear, mas os efeitos da não linearidade foram profundamente estudados para aplicações de êmbolo livre , e observou-se que só são significativos para relações de compressão grandes, que, por sua vez, aumentam marginalmente a partir de valores calculados por métodos elásticos lineares, e os tempos de variação aumentam momentaneamente, pelo que as frequências são um pouco maiores do que calculado. A teoria linear prediz com exactidão a localização do ponto de pressão nula em experiências com o haser vibratório, mas as frequências ressonantes observadas são maiores que os valores previstos, de acordo tanto com a não linearidade mencionada anteriormente da compressão de gás adiabática, como com o aumento da velocidade sónica com a temperatura na parte superior do tubo de ressonância. Pode reivindicar-se, portanto, que a teoria apresentada é suficiertemente rigorosa para ser utilizada com confiança, e que se podem obter variações adiabáticas proporcionais correspondentes de pressão e temperatura absoluta, partindo das variações de densidade proporcional, elevando esta às potências e ϊ -1, respectivamente.

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Coeficiente de Actuação

Visto que o rendimento térmico de Carnot na extremidade aquecida, determinada a partir da relação das temperaturas absolutas no ciclo, é:

m o e o ganho de bomba térmica correspondente, determinado a partir da relação das temperaturas absolutas no ciclo na extremi. dade absorvedora, é:

V -1 ^ml

------------ J í-1 ^ml segue-se que o coeficiente de actuação idealizado é:

X-1í-1 m -1 m

COP -= —------- . ---i----fc-1t-1 m m,-1 o1 (10)

Com V = 1,4 para ar, este calor para o exemplo da Figura 6 é 2,77, mas será modificado por diversos factores.

Em primeiro Lugar, pode argumentar-se que o calor não é rejeitado na temperatura baixa correspondente com expansão na extremidade aquecida, nem é absorvido a uma temperatura correspondente com compressão completa na extremidade absorvedora. Isto é examinado adiante com referência aos regeneradores, onde se demonstra que a função dos regenerado res é elevar as temperaturas médias em ambas extremidades, para se atingir um valor mais próximo do ideal.

Em segundo lugar, embora se possa recuperar uma

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-22parte do calor de atrito de parede com uma camisa de água, como no caso com calor rejeitado na extremidade do motor tér. mico, o primeiro tem de ser proporcionado como energia mecânica sujeita ao rendimento térmico limitada do funcionamento do motor térmico, e está sujeito, portanto, a um desequilíbrio substancial. Também há dissipação de energia mecânica na entrada e saída de ar pelos furos 7 e 8, mas uma proporção desta dissipação é comum com perda de atrito de parede, visto que ambos dizem respeito à camada fronteira.

A Modificação da Forma Ogival objectivo disto para diâmetros de extremidades dados é aumentar a massa de gás vibratório, para diminuir por este meio a sua velocidade para relações de compressão de volume dadas. Vale a pena incorporar o efeito, porque a perda por atrito é proporcional ao cubo da velocidade. Uma análise numérica completa seria viável, mas há probabilidade de conter o efeito de maneira adequada dentro de uma correcção.

A solução para o processo de correcção encontra-se na dependência de primeira ordem da frequência natural f em relação ao comprimento 1, independentemente da forma, quer seja paralela, cónica ou ogival, tal que:

A frequência angular co para um sistema vibratório depende também de:

ω =*/£ ^T m em que k é rigidez e m é massa, de maneira que, no caso ogival·, a rigidez deve ser considerada aumentada na mesma propor ção que a massa. A consequência disto vê-se na Figura 7, onde há três cones concêntricos ideais OA, OB e OC. OA é aquele que contém os diâmetros das duas extremidades, e OB circ’ creve a curva ogival. OC é uma interpolação. Tem de recor’ cer-se que a teoria anterior não varia em relação aos f

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-23nes, visto que todos têm o mesmo coeficiente -. 0 cone OC a intercepta a curva ogival para definir uma zona de massa e duas zonas de rigidez. Se o coeficiente de diâmetro entre OA e 00 for + e , segue-se a partir de considerações de volume e área de secção transversal que a rigidez também aumen ta segundo o coeficiente J? + e. No entanto, independentemente da definição de e, o volume encerrado designado por massa aumenta segundo um coeficiente maior que S. + 2e, e esta anomalia pode ser explicada era termos do conceito hidrodinâmico de massa virtual, que neste caso é negativo devido a velocidades que são menores no interior da secção transversal ampliada. Visto que se pode calcular a rigidez sem ambiguidade, é apropriado considerar que tanto a rigidez como a massa aparente aumentam em J + e, e que OC é definido como o eixo neutro da curva ogival entre as duas extremidades (área super ficial igual), tal que BC = Então a forma ogival comporta-se em relação a perda por atrito mas não em relação a relação de compressão ou saída como se fosse um cone com diâmetros que aumentam i + e, mas com velocidades máximas diminuídas na razão __L_ í + 2e efeito da forma ogival representada nas Figuras 1 e 2 é diminuir a perda de atrito em 50% em circunstâncias que quan to ao mais são equivalentes.

Perdas por Atrito de Parede

Não havendo dados específicos para fluxo vibratório era cones, é apropriado considerar atrito regular da camada fronteira num tubo paralelo com comprimento e diâmetro equivalentes. 0 coeficiente de atrito depende do número de Reynold e da aspereza superficial proporcional, e é dado pelos números padrão de Nikuradse. Para os números de Reynold >10 e aspereza superficial <50 microns, um valor adequado

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R e meio de Cf seria 0,0035.

Se a deslocação axial num tubo cilíndrico de raio comprimento de onda for dada por:

cos ω t cos , a fadiga de corte de parede „ -£-^³ A f 2 * ^A ao longo do comprimento a velocidade pu² ^cf ~ taxa de do tubo axial u = ff u taxa de trabalho instantâneo local c trabalho média W, integrada e em relação ao tempo,

W = TÍ c pRlw³ Λ ³ f · o

2 cos 0d8.3 sin φ .d$

Notando que a quantidade entre parêntesis avaliando as funções G anima,

3

0,566 c pRlw f o <?u

0^A , em que u^ = 0,565u_Q.

/ (11) a área total da υθ é a amplitude de velocidade axial e A é parede .

Expressa numa fracção da energia cinética máxima do gás que está no tubo, a acumulação de trabalho de atrito durante metade de curso de êmbolo é:

0,72 iTcf ot

R

Estas considerações mostram que as perdas por atrito de parede, embora sejam uma fracção significativa da energia mecânica criada, são limitáveis, em particular se incorporar a forma ogival.

Característ icas de Regeneradores

Os regeneradores são utilizados desde que se cons

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-25truiram os primeiros motores de ciclo Stirling, e aceita-se que proporcionam grandes aumentos de eficiência. A sua função como filtros térmicos é armazenar calor adquirido numa parte de um ciclo alternativo enquanto passa gás durante uma variação adiabática de volume, e devolver esse calor ao gás quando o ciclo se inverte. As suas duas propriedades essenciais são, assim, uma grande área superficial exposta ao gás, juntamente com uma pequena condutividade térmica na direcção da deslocação do gás. Em geral, os regeneradores têm a forma de pilhas de placas não metálicas espaçadas, visto que estas são eficientes quanto às perdas de gás por atrito e transferência de calor.

A utilização proveitosa de regeneração no caso presente pode ser vista a partir de uma representação gráfica de valores extremos de variação adiabática de temperatura (Figura 7) elaborada a partir da representação correspondente de coeficientes de densidade na Figura 5. As linhas oblíquas da Figura 7 representam quantitativamente os percursos descritos por volumes de gás submetidos a variações de temperatura adia báticas, mas de maneira reversível por uma questão de simplicidade, visto que na prática as linhas seriam curvas fechadas se tivesse em conta a transferência de calor. As posições dos regeneradores 3 e 4 estão representadas, e pode observar-se que estas posições não se prolongam para as extremidades do tubo de ressonância onde as superfícies de transferência de calor estão colocadas. Os intervalos entre regeneradores são suficientes para impedir contacto térmico.

As linhas BB' e EE * representam volumes de gás que se mantêm sempre no interior dos regeneradores. Estes volumes transferem calor contra um gradiente de temperatura, adquirindo-o quando está expandido e frio, em posições junto do centro da cavidade, e libertando-o por permuta de calor quando está comprimido e quente, em posições junto da extremidade da cavidade. Assim, há gradientes de temperatura no interior dos regeneradores, que são crescentes em direcção às extremidades da cavidade. As temperaturas médias dos regeneradores

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-26são também superiores à temperatura ambiente, porque a permuta de calor a partir de gás comprimido é mais eficaz do que a partir de gás rarefeito.

efeito mais profundo dos regeneradores é produzido nas suas extremidades perto das extremidades da cavidade, porque nestas posições, o gás entra quando está dilatado e frio e recebe calor. 0 gás sai quando fica comprimido e quente, pelo que a temperatura média nas extremidades da cavidade aumenta de maneira significativa. 0 efeito pode ser representado graficamente pelas linhas AA¹ e FF'. Produz-se o efei to inverso nas extremidades interiores dos regeneradores, con forme se vê pelas linhas CC' e DD*. 0 efeito total é que as temperaturas médias aumentam de maneira significativa até metade da amplitude de temperatura no exterior dos regeneradores, e diminuem numa quantidade menor num volume maior no interior dos regeneradores .

comprimento do regenerador deve exceder a deslocação total na localização preferida, e o intervalo entre o regenerador inferior e o absorvedor de calor deve ser o mír.imo praticamente possível. Uma regra óptima para o material do regenerador é que a profundidade de penetração de calor condutor para cada ciclo não deve exceder a espessura de faixa, e esta afirmação baseia-se do tratamento de fluxo de calor transiente relevante como:

(13)

Para t = 0,1 mm e ω= 817/seg, isto indica uma difusibilida-2 2 de térmica preferida « aproximadamente igual a 10 cm /seg, que pode ser proporcionada por materiais vítreos. Os metais são demasiadamente condutores.

Claims

R Ε I V INDICAÇÕES

1&. - Dispositivo de ressonância de gás accionado termicamente, caracterizado por compreender um tubo de ressonância cuja secção transversal se dilata ao longo do seu comprimento de uma extremidade até à outra, uma fonte de calor localizada numa extremidade do tubo de ressonância, e meios para pôr em vibração um gás no tubo de ressonância.
2-. - Dispositivo de ressonância de gás de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a fonte de calor e os meios para pôr em vibração o gás no tubo de ressonância serem formados por uma fonte térmica vibratória que tem uma frequência de repetição de vibração correspondente a uma frequência ressonante do tubo de ressonância de gás.
3§ . - Dispositivo de ressonância de gás de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por a fonte de calor vibratória incluir uma válvula através da qual se introduzem um abastecimento de gás ou vapor inflamável e um abastecimento de ar, seguidos por um dispositivo anti-retorno de chama, e um dispositivo de ignição inicialmente para inflamar a mistura numa extremidade do tubo de ressonância.
4&. - Dispositivo de ressonância de gás de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por a válvula que admite a mistura ser constituída por uma válvula sem retorno regulada que, em resposta à combustão vibratória, oscila entre os estados aberto e fechado para deixar entrar porções de mistura numa extremidade do tubo de ressonância para inflamação ulterior.
5^. - Dispositivo de ressonância de gás de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por a válvula sem retorno regulada compreender um orifício aberto e um elemento de fecho de válvula formado por uma aba de metal elástica fixada numa borda do orifício aberto.
6^. - Dispositivo de ressonância de gás de acordo com as reivindicações 2, 3, 4 ou 5, caracterizado por a fonte térmica vibratória incluir também um calorífero indirecto localizado numa extremidade do tubo de ressonância.

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-2875. - Dispositivo de ressonância de gás de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por haver um regenerador localizado no tubo de ressonância, próximo mas fora de contacto com a extremidade.
8^. - Dispositivo de ressonância de gás de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por o tubo de ressonância ter uma forma frusto-ogival em secção longitudinal, de maneira que as suas paredes laterais são curvas quando vistas em secção transversal.

95. - Tubo de ressonância de gás de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por a extremidade do tubo de ressonância ter a forma de um prato parabólico .

105. - Dispositivo de ressonância de gás de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por a segunda extremidade do tubo de ressonância incluir um leito de material de crivo molecular, por haver um orifício de permuta de gás no lado do leito de material de crivo molecular voltado para a fonte térmica, e haver uma saída de gás no lado do leito de material de crivo molecular afastado da fonte térmica para proporcionar um separador de gás de pressão oscilatória .

115. - Dispositivo de ressonância de gás de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por o material de crivo molecular ser um material expandido que absorve azoto de preferência a oxigénio.

125. _ Dispositivo de ressonância de gás de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 9, conjuntamente com uma bomba térmica, caracterizado por compreender um dispositivo absorvedor de calor localizado na outra extremidade do tubo de ressonância, um regenerador localizado contiguamente à outra extremidade, e meios no lado do regenerador voltados para a fonte térmica para proporcionar permuta de calor entre o gás no tubo de ressonância e uma fonte de calor de fraca int ensidade.

135. _ Dispositivo de ressonância de gás de acordo

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-29com a reivindicação 12, caracterizado por a fonte de calor de fraca intensidade ser a atmosfera, por se fazer permuta de calor directa entre a atmosfera e o gás numa zona a montante do regenerador e por haver orifícios de permuta de gás na parede do tubo de ressonância na posição de um ponto de pressão nula.

145. - Dispositivo de ressonância de gás de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por incluir também um ventilador para conduzir ar da atmosfera através dos orifícios de permuta de gás para o tubo de ressonância.

155. - Dispositivo de ressonância de gás de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por incluir ainda uma câmara exterior que envolve o tubo de ressonância com o ventilador localizado no cimo, isto é, na extremidade do tubo de ressonância com a fonte térmica, e um deflector anular ondulado contíguo aos orifícios de permuta de gás para dirigir o ar insuflado pelo ventilador através de metade dos orifícios e para permitir que ar arrefecido circule por uma porção inferior da câmara exterior.

16^. _ Dispositivo de ressonância de gás de acordo com a reivindicação 12, 13, 14 ou 15, caracterizado por o dispositivo absorvedor de calor na outra extremidade do tubo de ressonância compreender um tanque pouco profundo de água e por haver aletas de um bom condutor térmico em contacto térmico com o tanque de água e prolongadas no espaço entre o tanque de água e o lado jusante do regenerador.