WO2018035588A1 - Motor térmico de ciclo diferencial composto por quatro processos isotérmicos, quatro processos isocóricos com regenerador ativo e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor trémico - Google Patents

Motor térmico de ciclo diferencial composto por quatro processos isotérmicos, quatro processos isocóricos com regenerador ativo e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor trémico Download PDF

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temperature
subsystem
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LUIS Mauro MOURA
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    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Definitions

  • the present invention relates to a thermal motor and its eight-process thermodynamic cycle, more specifically a thermal machine characterized by two interconnected thermodynamic subsystems, each operating a four-process but interdependent thermodynamic cycle. If, forming a complex cycle of eight processes, operates with gas, the circuit of this binary system is closed in differential configuration, based on the concept of hybrid thermodynamic system or can also be called binary thermodynamic system, this system performs a thermodynamic cycle composed of eight processes so that it performs at any moment of the cycle, two simultaneous and interdependent, complementary processes, four of which are "isothermal” and four "isochoric" processes with variable mass transfer, which may be null or partial.
  • thermodynamics defines three concepts of thermodynamic systems, the open thermodynamic system, the closed thermodynamic system and the isolated thermodynamic system. These three concepts of thermodynamic systems were conceptualized in the nineteenth century in the early days of the creation of the thermodynamic elements and underlie all motor cycles known to date.
  • thermodynamic system is defined as a system in which neither matter nor energy passes through it. Therefore, this concept of thermodynamic system does not offer properties that allow the development of motors.
  • the open thermodynamic system is defined as a system where energy and matter can enter and leave this system.
  • Examples of an open thermodynamic system are the Otkins cycle Atkinson cycle internal combustion engines, Sabathe cycle Otto cycle diesel cycle, Brayton diesel cycle internal combustion engine, Rankine exhaust cycle from steam to the environment.
  • the matter that enters these systems are fuels and oxygen or working fluid or working gas.
  • the energy that enters these systems is heat.
  • the matter that comes out of these systems is the combustion or working fluid exhaustion, gases, waste, the energy that comes out of these systems is the mechanical working energy and part of the heat dissipated.
  • the closed thermodynamic system is defined as a thermodynamic system in which only energy can enter and leave this system.
  • Examples are closed thermodynamic systems, external combustion engines such as Stirling cycle, Ericsson cycle, Rankine cycle with closed circuit working fluid, Brayton heat cycle or external combustion, Carnot cycle.
  • This system is the heat.
  • the energy that comes out of this system is the mechanical working energy and part of the heat dissipated but no matter comes out of these systems, as they occur in the open system.
  • thermodynamic cycles composed of a series of sequential and independent processes, and a single process occurs at a time until the cycle completes, as can be seen from the pressure / volume graph in figure 2. So are the Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Brayton, Rankine, Stirling, Ericsson cycle engines and Carnot's ideal theoretical cycle.
  • the current state of the art comprises a series of motors of Internal combustion and external combustion, most of these engines require a second auxiliary engine to take them from, to operation.
  • Internal combustion engines require compression, mixing fuel with oxygen, and a spark or pressure combustion, so a normally electric auxiliary starter motor is used.
  • External combustion engines such as the Stirling or Ericsson cycle in turn also require high power auxiliary engines, as they must overcome the resting state under pressure to start operating.
  • One exception is the Rankine cycle engine, which can start via the camshaft to provide the steam pressure to the motive power elements.
  • the current state of the art comprises a number of engines, most of them dependent on very specific and special conditions to operate, for example, internal combustion engines, each requiring its own specific fuel, fine fuel control, oxygen and combustion time and in some cases require specific conditions including pressure, fuel flexibility is quite limited.
  • internal combustion engines each requiring its own specific fuel, fine fuel control, oxygen and combustion time and in some cases require specific conditions including pressure, fuel flexibility is quite limited.
  • the most flexible engine is the Rankine cycle, external combustion or Stirling, also external combustion, these are more flexible in their source.
  • the current state of the art comprises a series of cycle engines, most of which require combustion, that is, the burning of some type of fuel, and therefore the need for oxygen.
  • the current state of the art comprises a series of cycle engines, most of which require high operating temperatures, especially internal combustion engines, usually operating with working gas at temperatures above 1500 ° C.
  • External combustion engines or engines operating from external heat sources such as Rankine and Stirling cycle engines, are typically designed to operate at working gas temperatures between 400 ° C and 800 ° C.
  • Rankine and Stirling cycle engines are typically designed to operate at working gas temperatures between 400 ° C and 800 ° C.
  • motors based on open and closed systems they often require high temperatures to operate, all of them have their efficiencies limited to Carnot's theorem, that is, their maximum efficiencies depend exclusively on temperatures as defined by equation (b).
  • the current state of the art based on open and closed systems, comprises basically six motor cycles and some versions thereof: Atkinson cycle Otto cycle, Sabathe cycle Otto cycle, Diesel cycle, similar to Diesel, Brayton cycle, Rankine cycle, Stirling cycle, Ericsson cycle and Carnot cycle, ideal theoretical reference for open and closed engine based engines.
  • the latest developments in the current state of the art have been introduced through innovations by joining more than one old cycle into combined cycles, ie: new engine systems composed of a Brayton cycle machine operating on fossil fuels, gas or oil. and a heat-dependent Rankine cycle machine rejected by the Brayton cycle machine.
  • new engine systems composed of a Brayton cycle machine operating on fossil fuels, gas or oil.
  • a heat-dependent Rankine cycle machine rejected by the Brayton cycle machine or the same philosophy, combining a diesel engine with a Rankine cycle engine or an Otto cycle engine, also joining it with a Rankine cycle engine.
  • Carnot's ideal motor figure 3, while considered the ideal motor, most perfect to date, it is in theory and within open and closed system concepts considering all ideal parameters, for example. This is the reference to date for all existing engine concepts.
  • the Carnot Engine is not found in practical use because the actual materials do not possess the properties required to make the Carnot Engine a reality, the physical dimensions for the Carnot Cycle. If it were to be performed as in theory, it would be unfeasible in a practical case, so it is an ideal Engine in open and closed system concepts, but in the theoretical concept.
  • thermodynamic formed by two isothermal processes of two adiabatic processes United States Patent "PCT7BR2014 / 00038” is defined as "8-Thermodynamic Transform Differential Thermal Machine and Control Process” which consists of two subsystems and operates a thermodynamic cycle formed by four four-process isothermal processes
  • PCT7BR2014 / 00038 8-Thermodynamic Transform Differential Thermal Machine and Control Process
  • each cycle gives the engine its own characteristics.
  • the concept of hybrid or torque thermodynamic system provides the basis for the development of a new family of thermal motors, each motor will have own characteristics according to the processes and phases that constitute their respective thermodynamic cycles, as for example, the Otto engine and the Diesel engine are engines based on the open internal combustion thermodynamic system, but they are distinct engines and what distinguishes them are details of their cycles
  • the Otto engine cycle consists basically of an adiabatic compression process, an isocoric combustion process, an adiabatic expansion process and an exhaust isocoric
  • the Diesel engine cycle consists of
  • Hybrid or binary system concept provides the basis for a new family of thermal motors consisting of two subsystems and these will operate with so-called differential cycles consisting of processes where two simultaneous processes will always occur, each having its own particularities which will characterize each of the cycles. -motors.
  • the aim of the invention is to eliminate some of the existing problems and minimize other problems, but the major objective was to develop new motor cycles based on a new thermodynamic system concept so that the efficiency of the motors would not be reduced. more exclusively temperature dependent and whose energy sources could be diversified and which would allow the design of engines for even air (oxygen) environments.
  • the characteristic hybrid or binary system concept that underlies this invention eliminates the dependence of efficiency exclusively on temperature, the efficiency of any thermal machine depends on its potentials and their potential differentials, while open and closed systems generate potentials where the mass of the gas is constant and for this reason they cancel out in the equations, hybrid or binary systems the mass is not necessarily constant, so no they cancel out and their efficiencies depend on the potentials from which the driving force originates, that is, the pressures.
  • hybrid system provides dependent potentials, proportional to the product of the working gas mass by temperature, as in the hybrid system, unlike open and closed systems, mass is variable, its efficiency becomes a non-exclusive function of temperature. but mass-dependent and for a differential cycle motor composed of four isothermal processes, four regenerative isochoric processes the efficiency is demonstrated as shown in equation (c) and figure 4.
  • Equation (c) (q) is the yield, (Tf) is the cold source temperature, (Tq) is the hot source temperature both in "Kelvin", (n 1) is the number of moles. of subsystem 1, indicated by region 21 in Figure 4, (n2) is the moles number of subsystem 2, indicated by region 23 in Figure 4.
  • thermodynamic cycles Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Brayton, Stirling, Ericsson, Rankine and Carnot's theoretical ideal cycle
  • execute one process at a time sequentially as shown in Figure 2, referring to the mechanical cycle of the motive power elements, its control is a direct function of the power supply supply.
  • the differential cycles of the hybrid or binary system perform two processes at a time, Figure 5, enabling the control of the thermodynamic cycle separate from the mechanical cycle, the cycle can be modulated and thus the mechanical cycle becomes a consequence of the thermodynamic cycle and not the other way around.
  • Differential cycle motors are characterized by having two subsystems forming a hybrid or binary system, represented by (21 and 23) of Figure 4, each subsystem executes a cycle referenced to the other subsystem in order to always execute two simultaneous processes. and interdependent. Otherwise, considering a hybrid or binary system with properties of both open and closed systems simultaneously, it is said that the system performs a composite thermodynamic cycle, Figure 5, that is, it always performs two simultaneous processes (26 and 27). Figure 5, interdependent, including mass transfer. Therefore they are completely different motors and cycles from motors and cycles based on open or closed systems. Figure 6 shows the relationship between the hybrid or binary system and the differential thermodynamic cycle.
  • thermodynamic system The concept of hybrid thermodynamic system is new, characterized by a binary system, formed by two interdependent subsystems and between them there is exchange of matter and energy and both supply out of their limits, energy in the form of work and part of heat-dissipated energy.
  • This thermodynamic system was created in the 21st century and offers new possibilities for the development of thermal motors.
  • the present invention brings important developments for the conversion of thermal energy to mechanical either for use in power generation or other use as mechanical force for movement and traction.
  • Some of the main advantages that can be seen are: the total flexibility regarding the energy source (heat), the independence of the atmosphere, does not require
  • the differential cycle motor can be designed to operate over a very wide temperature range, well above most motors based on open and closed systems, including , a differential cycle motor can be designed to operate at both temperatures below zero degrees Celsius, it is sufficient that the design conditions promote the expansion and contraction of the working gas and it is sufficient that the materials chosen for its construction have the properties to perform their operational functions at design temperatures.
  • the differential-cycle engine based on the hybrid or torque system concept shown in Figures 7 through 13 may be constructed of materials and techniques similar to conventional and Stirling cycle engines, as it is a gas-powered engine.
  • each subsystem is formed by a chamber, 33 and 35, containing each of these are made up of three sub-chambers, one heated, 33 with 317 and 35 with 42, one cold, 33 with 41 and 35 with 318, and one isolated, 33 with 32 and 35 with 36, connected to In these two chambers there is a driving force element, 312, each subsystem has an active regenerator, 310 and 314, between the subsystems there is a mass transfer element, 34, so the subsystems are opened between each other, between the complete system and the external environment, is considered closed, these two subsystems execute simultaneously each one of them, a cycle of four interdependent processes forming a differential
  • This closed-circuit concept of working gas with respect to the external environment indicates that the system must be sealed, or in some cases leaks may be permitted provided they are compensated. Suitable materials for this technology should be noted and are similar in this respect to Stirling cycle engine design technologies.
  • the working gas depends on the project, its application and the parameters used, the gas may be various, each will provide specific characteristics, as the gases may be suggested: helium, hydrogen, nitrogen, dry air, neon, among others.
  • Conversion chambers items that characterize the hybrid or binary system, may be constructed of various materials, depending on design temperatures, working gas used, pressures involved, environment and operating conditions. These chambers each have three sub-chambers and these should be designed keeping in mind the requirement of thermal insulation to minimize the flow of energy from hot to cold areas, this condition is important for the overall efficiency of the system.
  • These chambers have internally elements that move the working gas between the hot, cold, and insulated sub chambers, these elements can be of various geometric shapes, depending on the requirement and design parameters, could for example be in the form of discs, in cylindrical or other form allowing the working gas to be controlled in a controlled manner between the sub chambers.
  • the mass transfer element 34 interconnects the two chambers 33 and 35, this element is responsible for the transfer of part of the working gas mass between the chambers that occurs at a specific time during isochoric processes.
  • This element may be designed in various ways depending on the requirements of the design, may operate by simple pressure difference, ie valve-shaped, or may operate in a forced manner, for example turbine, piston-shaped or in other geometric shape enabling it to perform the mass transfer of part of the working gas,
  • Active regenerators 310 and 314 operate with a specific working gas and this gas stores the energy of the engine gas during isocoric temperature lowering processes through internal expansion, 89, and regenerates, 84, that is. , returns this energy to the engine gas during isocoric processes of temperature rise through compression.
  • This regenerator is called an active regenerator because it performs its regeneration process dynamically through moving mechanical elements and its own working gas, unlike known passive regenerators, which operate by thermal exchange between the gas and a static element, operant by conducting heat between the gas your body.
  • the driving force element, 312 is responsible for performing mechanical work and making it available for use.
  • This driving force element operates by the working gas forces of the engine, this element may be designed in various ways, depending on the design requirements, may for example be turbine shaped, cylinder piston shaped, connecting rods, crankshafts, in the form of a diaphragm or otherwise permitting work to be performed from gas forces during thermodynamic conversions.
  • Figure 1 represents the concept of open thermodynamic system and the concept of closed thermodynamic system
  • Figure 2 represents the characteristic of all thermodynamic cycles based on open and closed systems
  • Figure 3 shows the original idea of Carnot's thermal machine, conceptualized in 1824 by Nicolas Sadi Carnot;
  • Figure 4 represents the concept of hybrid or binary thermodynamic system
  • Figure 5 represents the characteristic of differential thermodynamic cycles based on hybrid or binary system
  • Figure 6 shows the hybrid or binary thermodynamic system and a differential thermodynamic cycle and the detail of the two simultaneously occurring thermodynamic processes
  • Figure 7 shows the mechanical model consisting of the two thermodynamic subsystems that form a thermal motor under the concept of hybrid or binary system and its active regenerator;
  • Figure 8 shows the motor indicating the phase at which one of the regenerators, element 310, equalizes its temperature to the hot source temperature
  • Figure 9 shows the motor indicating the phase at which the second regenerator, element 314, equalizes its temperature to the temperature of the hot source
  • Figure 10 shows one of the subsystems, group 31, performing the high temperature isothermal process of the thermodynamic cycle and the second subsystem, group 37, performing the low temperature isothermal process of the thermodynamic cycle;
  • Figure 11 shows one of the subsystems, group 31, performing the isocoric process of lowering the temperature, thermodynamic cycle and the second subsystem, group 37, performing the isocoric process of lifting thermodynamic cycle temperature;
  • Figure 12 shows in turn the first subsystem group 31 performing its low temperature isothermal process of the thermodynamic cycle and the second subsystem group 37 performing the high temperature isothermal process of the thermodynamic cycle;
  • Figure 13 shows the first subsystem, group 31, performing the isocoric temperature raising process of the thermodynamic cycle and the second subsystem, group 37, performing the isocoric process of temperature lowering of the thermodynamic cycle;
  • Figure 14 shows the ideal thermodynamic cycle of the active regenerator
  • FIG. 15 shows the detail of the thermodynamic cycle of one of the subsystems and the thermodynamic cycle in the heat transfer process for its respective active regenerator
  • Figure 16 shows the detail of the thermodynamic cycle of one of the subsystems and the thermodynamic cycle in the heat regeneration process by its respective active regenerator
  • Figure 17 shows the ideal differential thermodynamic cycle composed of two high-temperature isothermal processes, two low-temperature isothermal processes, two isocoric temperature-lowering processes, heat transfer, two isocoric temperature-raising processes, heat regeneration, and thermodynamic processes of the active regenerator;
  • Figure 18 shows an example of motor application for an electricity generating plant having as its primary source geothermal energy
  • Figure 19 shows an example of the motor application for an electricity generating plant having thermosolar energy as its primary source.
  • the differential cycle motor consisting of two high temperature isothermal processes, two low temperature isothermal processes, two isocoric heat transfer processes, two isocoric heat regeneration processes with active regenerator is based on a system hybrid thermodynamic system, or it can also be called binary thermodynamic system because it has two interdependent thermodynamic subsystems which each perform an interacting thermodynamic cycle and can exchange heat, work and mass as depicted in figure 4.
  • Figure 4 shows the hybrid or binary system composed of two subsystems indicated by 21 and 23.
  • FIG. 6 shows again the hybrid or binary thermodynamic system and the differential thermodynamic cycle, detailing in this case the isothermal processes, that when in one of the subsystems, at time (t1) the cycle operates with mass (m1), mol number (n1) and temperature (Tq), at the same time, simultaneously, in the other subsystem, the cycle operates with mass (m2), mol number (n2), temperature (Tf).
  • Figure 7 shows the engine model based on the hybrid or binary system, containing two subsystems indicated by 31 and 37.
  • Each subsystem has its thermomechanical conversion chamber, 33 and 35, a driving force element, 312, a active regenerator 310 and 314, their drive shafts respectively 38, 39, 311 and 313, 315, 316.
  • Connecting between the subsystems for mass transfer processes is a mass transfer element 34.
  • FIG 8 and Figure 9 show the process responsible for generating the initial operating state of the regenerators 310 and 314.
  • the regenerators are both equalized with the source temperature. hot (Tq).
  • Tq hot
  • Figure 8 while one of the subsystems 31 performs its high temperature isotherm, its respective regenerator is mechanically pressurized via transmissions 38, 39 and 31 1, equalizing with the working gas temperature of subsystem 31. in (Tq), shown in the graph of figure 14 along the path indicated at 71.
  • Figures 10, 11, 12 and 13 show how mechanically the eight processes, four isothermal and four isochoric with mass transfer and heat regeneration occur.
  • subsystem 31 exposes working gas to the hot source at the temperature (Tq) indicated at 317, this subsystem performs the high temperature isothermal process and simultaneously the subsystem indicated by 37 exposes working gas to the cold source. , at the temperature (Tf) indicated at 318, and at this time simultaneously, this subsystem performs the low temperature isothermal process.
  • FIG 11 1 and 13 are shown how the subsystems process their respective isochoric processes with or without mass transfer and with regeneration after subsystem 31
  • the gas is exposed to a thermally insulated region, indicated by 32, the gas, initially at the hot temperature (Tq), yields heat to the regenerator 310 which part of the hot state expands the internal gas. until it withdraws the heat from the working gas and its own, until it reaches the cold temperature (Tf) by expanding the gas, transferring the energy to its axis as mechanical energy, simultaneously part of the working gas of subsystem 31, with higher pressure, is transferred to subsystem 37 at lower pressure through the mass transfer element indicated at 34, thus completing the iso process.
  • Tq hot temperature
  • Tf cold temperature
  • subsystem 37 receives part of the working gas mass of subsystem 31, and heat regeneration occurs simultaneously 314, bringing the cold temperature gas (Tf) to the hot temperature by pressurizing the internal gas of the regenerator by the mechanical energy in the axes obtained in the expansion process, ending the isochoric regeneration process.
  • subsystem 37 has a larger mass than subsystem 31.
  • the graph in figure 14 clarifies how the active regenerator works
  • the curve indicated by 71 shows the initial process for conditioning the regenerator's operability
  • the curve indicated by 72 shows the regenerator process in operation with the motor cycle. alternately and sequentially the heat transfer from the engine gas to the regenerator, from the hot temperature (Tq) to the temperature (Tf) and regeneration when the process occurs in reverse, from the temperature (Tf) to the temperature (Tq). ). These processes always occur during the engine cycle isocoric.
  • Curve 71 of Figure 14 is an adiabatic process and its unit energy (Joule) is represented by the following expression:
  • This energy (W 71 ) is the internal energy of the regenerator's own gas that remains internally for as long as the engine will be running.
  • Curve 72 of Figure 14 is also an adiabatic process and its unit energy (Joule) is represented by the following expression:
  • the first energy term (W72) is the internal energy of the gas itself shown by and remains indefinitely in the regenerator, the second
  • FIG. 15 shows in 73 the processes that form the cycle of one of the subsystems.
  • Cycle process (bc) shown in 73 is isochoric and begins at point (b) at constant volume at warm temperature (Tq), with (n1) mo! gas and proceeds to point (c), transferring part of the gas mass, equivalent to (n1 —n2) mol of gas to the other subsystem and transferring its heat (energy) to the regenerator, reaching point (c) in cold temperature (Tf) and with (n2) mol of gas.
  • Graph 75 shows the process in which the regenerator removes heat from the subsystem gas by expanding the internal gas from the active regenerator.
  • Fig. 16 shows at 77, simultaneously with the cycle shown in Fig. 15, the processes that form the cycle of the other subsystem comprising the motor concept formed by two interdependent subsystems.
  • the isochoric process (bc) shown in figure 15 in the first subsystem is of lowering the temperature of the gas, its energy is transferred to the active regenerator, simultaneously occurs in the second subsystem an isochoric process (4-1) of temperature growth, shown in Figure 16, the gas mass equivalent to (n 1 - n2) mol of gas from the first subsystem is transferred from point (b) shown in 73 to the second subsystem which initiates this isochoric process with (n2) mol of gas at (4) and arrive with (n1) mol of gas at (1) at the warm temperature (Tq) received from the stored energy of the active regenerator, whose process curve is indicated at 76.
  • Tq warm temperature
  • Figure 17 shows the complete eight-process differential motor cycle based on the concept of hybrid or binary thermodynamic system, where two simultaneous engine processes always occur, exemplified by indications 86 and 88, until the complete cycle is formed. of eight processes and two process cycles in each of the two active regenerators.
  • the sequence (1 -2-3-4-1) shows the processes of one of the subsystems that form the engine cycle
  • the sequence (abcda) shows the processes of the other subsystem
  • the processes of a of the active regenerators are shown in 83.
  • Process (bc) is isocoric of temperature lowering, occurs simultaneously with process (4-1), also isochoric, but of temperature increase, in process (bc) occurs the heat transfer (energy) of the engine gas to the regenerator whose cycle is shown at 83, in an adiabatic process indicated on curve 89, simultaneously at process (4-1), heat (energy) regeneration occurs for the engine gas received from the regenerator whose cycle is shown at 81, also at a adiabatic process indicated in curve 84, simultaneously, during the isocoric engine cycle processes and during the adiabatic processes of the active regenerators, mass transfer occurs, leaving (n 1 - n2) mol of gas in the process (b- c) , for the other subsystem during the isochoric process (4-1), shown in detail 78 of graph 77 in figure 16.
  • Processes (2-3) and (da) are identical to processes (bc) and (4-1).
  • Process (cd) is low temperature isothermal and occurs simultaneously with process (1-2), high temperature isothermal.
  • the process (da) is isocoric of temperature increase (regeneration) with mass increment and occurs simultaneously to the process (2-3) of isocoric temperature reduction process (heat transfer to the regenerator) with mass reduction, thus finalizing the thermodynamic cycle with eight motor processes, always two simultaneous and the cycles of the two active regenerators, each with two adiabatic processes.
  • the sum of the working gas mass of the two subsystems that make up the engine is always constant.
  • isothermal motor cycle processes (1-2), (ab), (3-4) and (cd) are performed with gas confined to a geometry that favors the transfer of heat between the gas and the hot and cold elements.
  • This geometry shall be characterized by low depth for the gas heat flow path and rapid displacement, working gas between hot, cold and insulated chambers.
  • the geometry of the conversion chambers and gases with high thermal diffusivity favors the performance of isothermal processes and the velocity of gas displacement, transition, the higher this velocity, the shorter the transition time, the better defined the processes that form the thermodynamic cycle.
  • Motor cycle isocoric processes (2-3) and (bc) are performed with gas in a thermally insulated region or in the transition between hot and cold engine areas, and in this process the regenerator in thermal contact with the This work will perform rapid adiabatic expansion by transferring the energy of the gas to the mechanical elements of the regenerator, storing the energy in the form of kinetic energy and in the motor cycle isocoric processes (4-1) and (da) are also performed with gas in a thermally insulated region or in the transition between hot and cold areas of the engine, and in this process the regenerator in thermal contact with the working gas will perform rapid adiabatic compression, transferring the kinetic energy of its elements back to the gas. the engine, raising its temperature, completing regeneration.
  • Table 1 shows process by process forming the differential cycle of eight thermal motor processes shown step by step, with four isothermal processes, four isochoric processes, and the thermodynamic cycle with two active regenerator adiabatic processes and transfer steps. pasta.
  • This differential cycle of an engine consisting of two subsystems based on the concept of hybrid or binary system, whose pressure and volume curve is shown in figure 17, has eight processes, two high temperature isothermal processes of energy input into the In the system, curves (1-2) and (ab) are represented by expressions (f) and (g), two low temperature isothermal processes for disposing of unused energy, curves (3-4) and (cd) represented by expressions (h) and (i), two isocoric heat transfer processes (2-3) and (bc) by means of an active regenerator, represented by the expressions (j) and (k), two isocoric heat regeneration processes ( 4-1) and (da), represented by the expressions (I) and (m). Expressions consider the direction signal of the flow of energies.
  • Total motor input energy is the sum of the energies ) and is represented by the expression (n) below.
  • the isochoric processes shown by the expressions (j), (k), (I) and (m) are regenerative, energy is transferred in the temperature lowering process and regenerated in the temperature raising processes, ie, energy is conserved in the subsystems.
  • Hybrid or torque based differential cycle motors operate on heat, do not require combustion, although they can be used, do not require fuel burning, although they can be used, therefore they can operate in environments with or without atmosphere.
  • the thermodynamic cycle does not require physical phase change of the working gas. Due to their properties set forth in this description, differential cycle motors can be designed to operate over a wide temperature range, superior to most existing open or closed system based motor cycles. Differential cycle motors are fully flexible in terms of their energy source (heat).
  • Figure 18 shows an application for the use of differential cycle motors for power generation from geothermal sources.
  • Figure 18 shows a ground heat transfer system 96 for a collector 94, basically formed by a pump 97 which injects a fluid, usually water, through the duct 93.
  • the heat in the collector 94 is transferred to the differential cycle motor 91, which discharges part of the energy to the external medium through the heat exchanger 95 and converts another part of the energy into work by operating a generator 92 which produces electricity.
  • FIG 19 shows another useful application for the differential cycle motor for producing heat from the sun's heat.
  • the sun's rays are collected through the concentrator 103, the energy (heat) is transferred to the element 104 which directs the heat to the differential cycle motor 101, which converts part of the energy into useful work to operate an electricity generator. , part of the energy is discharged to the external environment through the exchanger 105.

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Abstract

Refere-se a presente invencâo a um motor térmico e seu ciclo termodinâmico de oito processos, mais especificamente trata-se de uma máquina térmica caracterizada por dois subsistemas termodinâmicos interligados, cada um opera um ciclo termodinâmico de quatro processos, porém interdependentes entre si, formando um ciclo compiexo de oito processos, opera com gas, o circuito deste sistema binário é fechado em configuracão diferencial, baseado no conceito de sistema termodinâmico hibrido ou tambem pode ser chamado de sistema termodinâmico binario, este sistema realiza um ciclo termodinâmico composto por oito processos de forma que o mesmo executa em qualquer momento do ciclo, dois processos simultaneos e interdependentes, complementares, sendo quatro destes processos "isotérmicos" e quatro "isocóricos" com transferência de massa variável, podendo esta ser nula ou parcial.

Description

"MOTOR TÉRMICO DE CICLO DIFERENCIAL COMPOSTO POR QUATRO PROCESSOS ISOTÉRMICOS, QUATRO PROCESSOS ISOCÓRICOS COM REGENERADOR AT1VO E PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO"
CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO
[001] Refere-se a presente invenção a um motor térmico e seu ciclo termodinâmico de oito processos, mais especificamente trata-se de uma máquina térmica caracterizada por dois subsistemas termodinâmicos interligados, cada um opera um ciclo termodinâmico de quatro processos, porém interdependentes entre si, formando um ciclo complexo de oito processos, opera com gás, o circuito deste sistema binário é fechado em configuração diferencial, baseado no conceito de sistema termodinâmico híbrido ou também pode ser chamado de sistema termodinâmico binário, este sistema realiza um ciclo termodinâmico composto por oito processos de forma que o mesmo executa em qualquer momento do ciclo, dois processos simultâneos e interdependentes, complementares, sendo quatro destes processos "isotérmicos" e quatro "isocóricos" com transferência de massa variável, podendo esta ser nula ou parcial.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[002] A termodinâmica clássica define três conceitos de sistemas termodinâmicos, o sistema termodinâmico aberto, o sistema termodinâmico fechado e o sistema termodinâmico isolado. Estes três conceitos de sistemas termodinâmicos foram conceituados no século XIX nos primórdios da criação das íeis da termodinâmica e fundamentam todos os ciclos motores conhecidos até o presente.
[003] O sistema termodinâmico isolado é definido como um sistema no qual nem matéria, nem energia passa através dele. Portanto, este conceito de sistema termodinâmico não oferece propriedades que permitam o desenvolvimento de motores.
[004] O sistema termodinâmico aberto é definido como um sistema termodinâmico em que energia e matéria podem entrar e sair deste sistema. São exemplos de sistema termodinâmico aberto os motores de combustão interna, de ciclo Otto, de ciclo Atkinson, semelhante ao ciclo Otto, de ciclo Diesel, de ciclo Sabathe, semelhante ao ciclo Diesel, de ciclo Brayton de combustão interna, de ciclo Rankine com exaustão do vapor ao ambiente. A matéria que entra nestes sistemas são os combustíveis e oxigénio ou fluido de trabalho ou gás de trabalho. A energia que entra nestes sistemas é o calor. A matéria que sai destes sistemas são a exaustão da combustão ou do fluído de trabalho, gases, resíduos, a energia que saí destes sistemas são a energia mecânica de trabalho e parte do calor dissipado.
[005] O sistema termodinâmico fechado é definido como um sistema termodinâmico em que apenas a energia pode entrar e sair deste sistema. São exemplos de sistema termodinâmico fechado, motores de combustão externa como o de ciclo Stirling, de ciclo Ericsson, de ciclo Rankine com fluido de trabalho em circuito fechado, de ciclo Brayton de calor ou de combustão externa, de ciclo Carnot.A energia que entra neste sistema é o calor. A energia que saí deste sistema são a energia mecânica de trabalho e parte do calor dissipado porém não sai matéria destes sistemas, como ocorrem no sistema aberto.
[006] Ambos os sistemas, aberto e fechado, como entrada eles possuem no tempo (t1) a temperatura (Tq), a massa (m1) e o número de mol (n 1) e na saída, no tempo (t2), ambos possuem a temperatura (Tf), a massa (m1) e o número de mol (n1), a massa é constante, a diferença entre ambos é que no sistema aberto a massa (m1) atravessa o sistema e no sistema fechado, a massa (m1) permanece no sistema, conforme a figura 1 .
ESTADO ATUAL DA TÉCNICA
[007] Os motores conhecidos até o presente são fundamentados em sistemas termodinâmicos aberto ou sistemas termodinâmicos fechado, eles possuem seus ciclos termodinâmicos compostos por uma série de processos sequenciais e independentes, e ocorre um único processo por vez até que o ciclo se complete, como pode ser observado no gráfico pressão/volume na figura 2. Assim são os motores de ciclo Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Brayton, Rankine, Stirling, Ericsson e o ciclo teórico ideal de Carnot.
[008] A energia interna do gás de trabalho dos motores baseados nos sistemas aberto e fechado não é constante durante o seu ciclo, a equação que representa a energia interna é indicada na equação (a)
Figure imgf000005_0001
[009] Na equação (a), (LO representa a energia interna em "Joule", (ri) representa o número de mol, (R) representa a constante universal dos gases perfeitos, (7) representa a temperatura do gás em "Kelvin" e (y) representa o coeficiente de expansão adiabática.
[01 0] Como ocorre sempre um único processo por vez nos motores projetados com o conceito de sistema aberto ou fechado, a energia interna varia com o tempo, uma vez que o produto:número de moí (n) pela temperatura (7), (n. T) não é constantedurante o ciclo, pois a temperatura (7) é uma variável nos processos e o número de mol (n) é uma constante nos processos.
[01 1] O atua! estado da técnica que caracteriza todos os motores, é caracterizado ainda pela propriedade onde a saída do processo, o trabalho, é uma consequência direta da entrada da energia, calor ou combustão, ou seja, quando é necessário mais trabalho, injeta-se mais calor ou se promove mais combustão, todos os processos que formam o ciclo do motor são igualmente influenciados, em outras palavras, os motores são controlados peia alimentação direta. Por exemplo, nos motores de combustão interna, Otto, Diesel, Brayton, para se obter maior potência injeta-se mais combustível, mais oxigénio e assim se produz mais trabalho, mais rotação. Para se obter maior potência com rotação constante, normalmente utilizam-se caixas de redução ou transformação de rotação. Por analogia, tais tecnologias podem ser comparadas na eletricidade a motores de corrente contínua, estes, para aumentar a potência, aumenta-se a tensão de alimentação do motor.
[012] O atual estado da técnica compreende uma série de motores de combustão interna e de combustão externa, a maioria destes motores exigem um segundo motor auxiliar para leva-los a partir, ao funcionamento. Os motores de combustão interna exigem a compressão, mistura de combustível com o oxigénio e uma centelha ou combustão por pressão, desta forma um motor auxiliar de partida, normalmente elétrico, é utilizado. Os motores de combustão externa, como o de ciclo Stirling ou Ericsson por sua vez também exigem motores auxiliares e de alta potência, pois eles precisam vencer o estado de repouso sob pressão para entrar em operação. Uma exceção é o motor de ciclo Rankine, este pode partir através do comando de válvulas para fornecer a pressão do vapor aos elementos de força motriz.
[013] O atual estado da técnica compreende uma série de motores, a maioria deles, dependentes de condições muito específicas e especiais para operar, por exemplo, os motores de combustão interna, cada um deles exige seu combustível específico, controle fino de combustível, oxigénio e o tempo da combustão e em alguns casos exigem condições específicas inclusive de pressão, a flexibilidade no combustível é bem limitada. Nesta categoria, dos motores fundamentados nos sistemas aberto e fechado, o motor mais flexível é o de ciclo Rankine, de combustão externa ou o Stirling, também de combustão externa, estes são mais flexíveis quanto a fonte.
[014] O atual estado da técnica compreende uma série de cicio motores, a maioria exige combustão, isto é, a queima de algum tipo de combustível, e, portanto, a necessidade de oxigénio.
[015] O estado atual da técnica compreende uma série de ciclo motores, a maioria exige altas temperaturas para operação, os de combustão interna especialmente, costumam operar com o gás de trabalho em temperatura superiores a 1500 °C. Os motores de combustão externa ou operante por fontes de calor externas, como de cicio Rankine e Stirling, normalmente são projetados para operarem com temperaturas do gás de trabalho entre 400 °C e 800 °C. Além dos motores baseados nos sistemas aberto e fechado exigirem na maioria das vezes altas temperaturas para que possam operar, todos eles possuem suas eficiências limitadas ao teorema de Carnot, isto é, suas eficiências máximas dependem exclusivamente das temperaturas conforme definido pela equação (b).
Figure imgf000007_0001
[016] Na equação (b), (q) é o rendimento, (77) é a temperatura da fonte fria e (Tq) é a temperatura da fonte quente, ambas em "Kelvin".
[017] O estado atual da técnica, baseado nos sistemas aberto e fechado, compreende basicamente seis ciclos motores e algumas versões destes: o ciclo Otto, de ciclo Atkinson, semelhante ao ciclo Otto, de ciclo Diesel, de ciclo Sabathe, semelhante ao ciclo Diesel, de ciclo Brayton , de ciclo Rankine, de ciclo Stirling, de ciclo Ericsson e o de ciclo Carnot, referência teórica ideal para os motores fundamentados nos sistema aberto e fechado. As últimas novidades do estado atual da técnica vem sendo apresentadas através de inovações juntando-se mais de um ciclo antigo formando ciclos combinados, isto é: novos sistemas de motores compostos por uma máquina de ciclo Brayton operante com combustíveis de origem fóssil, gás ou óleo e uma máquina de ciclo Rankine dependente do calor rejeitado pela máquina de ciclo Brayton . Ou a mesma filosofia, unindo-se um motor de ciclo Diesel com um de ciclo Rankine ou ainda um motor de ciclo Otto, também unindo-o com um motor de ciclo Rankine.
[01 8] O estado atual da técnica apresenta uma série de limitações e oferece também uma série de problemas. A maioria dos motores, como os de combustão interna, de ciclo Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe e Brayton, exigem combustíveis específicos para cada conceito, por exemplo: gasolina, óleo diesel, gás, querosene, carvão, e de alto poder calorífico, precisam trabalhar sob altas temperaturas e por consequência, durante muitos anos, vem dependendo de combustíveis fósseis, trazendo danos graves ao clima e meio- ambiente, isto é, são caracterizados pela não sustentabilidade. O sistema termodinâmico sob os quais estes motores são projetados traz como limitação de eficiência o teorema de Carnot o qual, em função de seu princípio, impõe o limite da eficiência como função direta e exclusiva das temperaturas, conforme equação (b).
[019] A maioria dos motores da atualidade exigem combustíveis refinados e poluentes com efeitos nocivos ao ciima, ao ambiente e, portanto, comprometem a sustentabilidade. Uma das mais recentes tecnologias desenvolvidas para minimizar o impacto, foi a junção de dois antigos conceitos de motores, o motor de ciclo Brayton e o motor de ciclo Rankine, formando um sistema composto por dois ciclos combinados, de forma tal que o rejeito de calor da primeira máquina é utilizado peia segunda máquina para melhorar a eficiência do conjunto, porém o uso de combustíveis fósseis e seus efeitos permanecem. O ciclo combinado continua a ser caracterizado por um motor sob conceito de sistema aberto e um motor sob o conceito de sistema fechado, independentes, ou seja, é classificado como sistema combinado, dois ciclos completamente independentes, não se caracteriza como sistema híbrido ou binário.
[020] Os demais motores, de ciclo Stirling e Ericsson, são motores sob o conceito de sistema fechado, são de combustão externa ou fonte de calor externo. Em função de suas propriedades, embora tenham os conceitos mais simples de motores, são difíceis de serem construídos. Exigem parâmetros de projetos casados, isto é, funcionam bem, com boa eficiência, apenas em seu regime específico de operação, temperatura, pressão, carga, fora do ponto central de operação suas eficiências caem bruscamente, ou não operam. Portanto são máquinas muito pouco utilizadas para uso industrial ou popular.
[021] O motor ideal de Carnot, figura 3, por sua vez, embora seja considerado o motor ideal, mais perfeito até o presente, ele o é na teoria e dentro dos conceitos de sistema aberto e fechado considerando todos os parâmetros ideais, por este motivo é a referência até hoje para todos os conceitos de motores existentes. O motor de Carnot não é encontrado no uso prático porque os materiais reais não possuem as propriedades exigidas para tornar o motor de Carnot uma realidade, as dimensões físicas para que o ciclo de Carnot possa ser executado como na teoria, seriam inviáveis em um caso prático, portanto ele é um Motor ideal nos conceitos de sistema aberto e sistema fechado, porém no conceito teórico.
[022] O controle de potência, rotação e torque, dos motores existentes, de ciclo Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Brayton, estes de combustão interna, são decorrentes diretamente da alimentação de combustíveis e oxigénio e como resultado oferecem maior rotação e torque simultaneamente. Para haver separação entre o torque e a rotação, eles exigem caixas de velocidade. Estas máquinas não permitem controlabilidade, ou no mínimo, oferecem dificuldades na controlabilidade através de seus ciclos termodinâmicos.
[023] O controle de potência, rotação e torque, dos motores existentes de ciclo Rankine, este de combustão externa, são decorrentes da vazão e da pressão do vapor ou gás de trabalho, e como resultado oferecem variações interdependentes de rotação e torque simultaneamente, não há controlabilidade separada entre torque e rotação.
[024] O controle de potência, rotação e torque, dos motores existentes de ciclo Stiriing e Ericsson, estes de combustão externa, são decorrentes da massa ou pressão do gás de trabalho, das temperaturas, da geometria construtiva, e como resultado oferecem variações interdependentes de rotação e torque simultaneamente, não há controlabilidade separada entre torque e rotação. Estas máquinas possuem suas curvas de operação muito estreitas oferecendo baixa controlabilidade e uma faia estreita de operacionabilidade. Nestes casos são comuns projetos que não funcionam porque os parâmetros, nas suas interdependências podem não oferecer as condições que levam o motor a funcionar.
[025] O estado atual da técnica, recentemente revelou algumas referências que já se encontram com conceitos semelhantes do sistema híbrido ou binário, são motores que apresentam características de possuírem dois ciclos termodinâmicos interdependentes constituindo um ciclo complexo formado por oito processos, sempre com dois processos operando simultaneamente em um sistema formado por dois subsistemas integrados. A patente "PI 1000624-9" registrada no Brasil definida como "Conversor de energia termomecânico" é constituído por dois subsistemas que opera por meio de um ciclo termodinâmico formado por quatro processos isotérmicos e quatro processos isocóricos, sem regeneração. A patente "PCT/BR2013/000222" registrada nos Estados Unidos da América definida como "Máquina térmica que opera em conformidade com o ciclo termodinâmico de Carnot e processo de controle" a qual é constituída por dois subsistemas e opera em cada subsistema, um ciclo termodinâmico formado por dois processos isotérmicos de dois processos adiabáticos. A patente "PCT7BR2014/00038 Γ registrada nos Estados Unidos da América definida como "Máquina térmica diferencial com cicio de oito transformações termodinâmicas e processo de controle" a qual é constituída por dois subsistemas e opera um ciclo termodinâmico formado por quatro processos isotérmicos de quatro processos adiabáticos. Estas referências diferem da presente invenção quanto aos processos termodinâmicos que formam seus ciclos, cada ciclo oferece ao motor características próprias. O conceito de sistema termodinâmico híbrido ou binário oferece a base para o desenvolvimento de uma nova família de motores térmicos, cada motor terá características próprias conforme os processos e fases que constituem os seus respectivos ciclos termodinâmicos, como por exemplo, o motor Otto e o motor Diesel são motores fundamentados no sistema termodinâmico aberto de combustão interna, porém constituem motores distintos e o que os distingue são detalhes de seus ciclos termodinâmicos, o ciclo do motor Otto é constituído basicamente por um processo adiabático de compressão, um processo isocórico de combustão, um processo adiabático de expansão e um isocórico de exaustão e o ciclo do motor Diesel é constituído por um processo adiabático de compressão, um processo isobárico de combustão, um processo adiabático de expansão e um processo isocórico de exaustão, portanto eles diferem em apenas um dos processos que formam seus ciclos, o suficiente para conferir a cada um, propriedades e usos específicos e diferentes. Da mesma forma, o conceito de sistema híbrido ou binário oferece a base para uma nova família de motores térmicos constituídos por dois subsistemas e estes irão operar com ciclos ditos diferenciais formados por processos onde sempre ocorrerão dois processos simultâneos, cada um terá particularidades próprias as quais caracterizarão cada um dos ciclos-motores.
OBJETIVOS DA INVENÇÃO
[026] Os grandes problemas do estado da técnica são, portanto, a dificuldade das tecnologias atuais baseados nos sistemas aberto e fechado a atender projetos sustentáveis, em função da dependência de combustíveis fósseis, poluentes, com impactos graves ao ambiente e ao clima, baixa eficiência, limitada exclusivamente às temperaturas, demonstrado pelo teorema de Carnot, baixo nível de controlabilidade em função das limitações na variabilidade dos parâmetrosdos modelos fundamentadosnos sistemas termodinâmicos aberto e fechado, falta de flexibilidade quanto às fontes de energia, muitos exigem combustíveis refinados e específicos, alta dependência do ar (oxigénio) para combustão e muitos deles dependem de um segundo motor para leva-los à operação (um motor de partida).
[027] O objetivo da invenção se concentra em eliminar alguns dos problemas existentes e minimizar outros problemas, porém o maior objetivo foi em desenvolver novos ciclos-motores baseados em um novo conceito de sistema termodinâmico de forma que, a eficiência dos motores, não ficassem mais dependentes exclusivamente das temperaturas e cujas fontes de energia possam ser diversificadas e que permitisse projeto de motores para ambientes inclusive sem ar (oxigénio). O conceito de sistema híbrido ou binário, característica própria que fundamenta esta invenção, elimina a dependência da eficiência de forma exclusiva à temperatura, a eficiência de qualquer máquina térmica depende dos seus potenciais e de seus diferenciais de potenciais, enquanto que os sistemas aberto e fechado geram potenciais onde a massa do gás é constante e por este motivo elas se cancelam nas equações, os sistemas híbridos ou binários a massa não necessariamente é constante, portanto não se cancelam e as suas eficiências dependem dos potenciais dos quais se originam a força motriz, isto é, das pressões. O conceito de sistema híbrido proporciona potenciais dependentes, proporcionais ao produto da massa de gás de trabalho pela temperatura, como no sistema híbrido, diferente dos sistemas aberto e fechado, a massa é variável, a sua eficiência passa a ser uma função não exclusiva da temperatura, mas dependente da massa e para um motor de ciclo diferenciai composto por quatro processos isotérmicos, quatro processos isocóricos regenerativos a eficiência é demonstrada conforme apresentado na equação (c) e figura 4.
Figure imgf000012_0001
[028] Na equação (c), (q) é o rendimento, (Tf) é a temperatura da fonte fria, (Tq) é a temperatura da fonte quente ambas em "Kelvin", (n 1) é o número de moles do subsistema 1 , indicado pela região 21 da figura 4, (n2) é o n úmero de moles do subsistema 2, indicado peia região 23 da figura 4.
[029] A dependência de altas temperaturas da maioria dos motores do atual estado da técnica levam tambémà dependência de combustíveis com alto poder calorífico, dificultando o uso de fontes limpas as quais normalmente oferecem menor temperatura, O conceito de ciclo diferencial sob o sistema h íbrido, e fluido de trabalho cujos processos não obriguem a troca de fase física, elimina esta obrigatoriedade da dependência de altas temperaturas, O conceito diferencial onde o ciclo opera sempre dois processos por vez, (26 e 27) da figura 5 , simultaneamente e interdependentes, viabiliza máquinas que possam operar com baixas temperaturas e por consequência, as fontes limpas renováveis, como a termossoiar, geotermal, passam a ser plenamente viáveis e suas eficiências passam a ter a massa, ou número de moles, como mostrado na equação (c), como parâmetro para a obtenção de eficiências melhores, mesmo com diferenciais de temperatura relativamente baixos.
[030] Os principais ciclos termodinâmicos conhecidos, Otto, Atkinson , Diesel, Sabathe, Brayton, Stirling, Ericsson, Rankine e o ciclo ideal teórico de Carnot executam um único processo por vez sequencialmente, conforme mostrado na figura 2, referenciado ao ciclo mecânico dos elementos de força motriz, seu controle é uma função direta da alimentação da fonte de energia, por sua vez, os ciclos diferenciais do sistema híbrido ou binário, executam dois processos por vez, figura 5, viabilizando o controle do ciclo termodinâmico separado do ciclo mecânico, o ciclo pode ser modulado e desta forma o ciclo mecânico passa a ser uma consequência do ciclo termodinâmico e não mais o contrário. DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
[031 ] Os motores de ciclos diferenciais são caracterizados por possuírem dois subsistemas, formando um sistema híbrido ou binário, representado por (21 e 23) da figura 4, cada subsistema executa um ciclo referenciado ao outro subsistema de modo a executarem sempre dois processos simultâneos e interdependentes. De outra forma, considerando um sistema híbrido ou binário com propriedades dos sistemas aberto e do fechado simultaneamente, diz-se que o sistema executa um ciclo termodinâmico composto, figura 5, isto é, executa sempre dois processos por vez simultâneos (26 e 27) da figura 5, interdependentes, inclusive com transferência de massa. Portanto trata-se de motores e ciclos completamente distintos dos motores e ciclos baseados nos sistemas aberto ou fechado. Na figura 6 pode ser observada a relação entre o sistema híbrido ou binário e o ciclo termodinâmico diferencial.
[032] O conceito de sistema termodinâmico híbrido é novo, é caracterizado por um sistema binário, formado por dois subsistemas interdependentes e entre eles há troca de matéria e energia e ambos fornecem para fora de seus limites, energia em forma de trabalho e parte da energia em forma de calor dissipada. Este sistema termodinâmico foi criado no século XXI e oferece novas possibilidades para o desenvolvimento de motores térmicos.
[033] A presente invenção trás evoluções importantes para a conversão de energia térmica em mecânica seja esta para uso em geração de energia ou outro uso, como força mecânica para movimentação e tração. Algumas das principais vantagens que podem ser constatadas são: a total flexibilidade quanto à fonte da energia (calor), a independência de atmosfera, não necessita de atmosfera para que um motor do ciclo diferencial possa operar, a flexibilidade quanto às temperaturas, o motor de ciclo diferencial pode ser projetado para funcionar em uma faixa muito extensa de temperatura, bem superior à maioria dos motores fundamentados nos sistemas aberto e fechado, inclusive, um motor de ciclo diferencial pode ser projetado para funcionar com ambas as temperaturas abaixo de zero grau Celsius, basta que as condições de projeto promovam a expansão e contração do gás de trabalho e basta que os materiais escolhidos para a sua construção tenham as propriedades para executar as suas funções operacionais nas temperaturas de projeto. Outras vantagens importantes que distinguem o motor de ciclo diferencial fundamentado no sistema híbrido ou binário é a sua controlabilidade em função da facilidade na modulação dos processos termodinâmicos e em projetos de motores que dispensam o uso de motores de partida, ou no mínimo, estes seriam de pequeno porte, em função da facilidade de gerar um torque por meio do diferencial de forças propiciado pelo sistema formado por duas câmaras de conversão, isto é, dois subsistemas. Portanto as vantagens constatadas abrangem a flexibilidade das fontes, promovendo o uso de fontes limpas e renováveis como as vantagens operacionais, podendo operar teoricamente em quaisquer faixas de temperatura e sua propriedade de controle da rotação e torque.
[034] O motor de ciclo diferencial baseado no conceito de sistema híbrido ou binário mostrados pelas figuras 7 a 13, poderá ser construído com materiais e técnicas semelhantes aos motores convencionais e motores de ciclo Stirling, como se trata de um motor que trabalha com gás em circuito fechado, considerando o sistema completo, isto é, o sistema completo é formado por dois subsistemas termodinâmicos integrados, 31 e 37, configurando um sistema termodinâmico binário ou híbrido, cada subsistema é formado por uma câmara, 33 e 35, contendo gás de trabalho e cada uma destas, são formadas por três subcâmaras, uma aquecida, 33 com 317 e 35 com 42, uma resfriada, 33 com 41 e 35 com 318, e outra isolada, 33 com 32 e 35 com 36, conectado a estas duas câmaras há um elemento de força motriz, 312, cada subsistema possui um regenerador ativo, 310 e 314, entre os subsistemas há um elemento de transferência de massa, 34, portanto os subsistemas são abertos entre si, entre o sistema completo e o meio externo, é considerado fechado, estes dois subsistemas executam simultaneamente cada um deles, um ciclo de quatro processos interdependentes formando um ciclo termodinâmico diferencial, 82, único, de oito processos, sendo quatro deles isotérmicos, (a-b), (1 -2), (c-d) e (3-4), quatro isocóricos, (b-c), (2-3), (d-a) e (4-1 ), com transferência de massa variável. Este conceito em circuito fechado de gás de trabalho com relação ao meio externo indica que o sistema deve ser vedado, ou em alguns casos, vazamentos podem ser admitidos, desde que compensados. Materiais adequados para esta tecnologia devem ser observados, são semelhantes, neste aspecto, às tecnologias de projeíos de motores de ciclo Stirling. O gás de trabalho depende do projeto, de sua aplicação e dos parâmetros utilizados, o gás poderá ser vários, cada um proporcionará particularidades específicas, como exemplo pode ser sugerido os gases: hélio, hidrogénio, nitrogénio, ar seco, neon, entre outros.
[035] As câmaras de conversão, itens que caracterizam o sistema híbrido ou binário, poderão ser construídas com diversos materiais, dependendo das temperaturas de projeto, do gás de trabalho utilizado, das pressões envolvidas, do ambiente e condições de operação. Estas câmaras possuem cada uma, três subcâmaras e estas devem ser projetadas observando a exigência de isolamento térmico entre si para minimizar o fluxo de energia a partir das áreas quentes para as frias, esta condição é importante para a eficiência geral do sistema. Estas câmaras possuem internamente elementos que movimentam o gás de trabalho entre as subcâmaras quente, fria, e isoladas, estes elementos podem ser de diversas formas geométricas, depende da exigência e dos parâmetros do projeto, poderá, por exemplo, ser em forma de discos, em forma cilíndrica ou outra que permita a movimentação do gás de trabalho de forma controlada entre as subcâmaras. [036] O elemento de transferência de massa, 34, interliga as duas câmaras, 33 e 35, este elemento é o responsável pela transferência de parte da massa de gás de trabalho entre as câmaras que ocorre em momento específico durante os processos isocóricos. Este elemento poderá ser projetado de várias formas dependendo das exigências do projeto, poderá operar pela simples diferença de pressão, isto é em forma de válvula, ou poderá operar de modo forçado, por exemplo, em forma de turbina, em forma de pistões ou em outra forma geométrica que lhe permita executar a transferência de massa de parte do gás de trabalho,
[037] Os regeneradores ativos, 310 e 314, operam com um gás de trabalho específico e este gás armazena a energia do gás do motor durante os processos isocóricos de abaixamento de temperatura através da expansão interna, 89, e regenera, 84, isto é, devolve esta energia para o gás do motor durante os processos isocóricos de elevação da temperatura através da compressão. Este regenerador é chamado de regenerador ativo por realizar o seu processo de regeneração dinamicamente através de elementos mecânicos móveis e de um gás de trabalho próprio, diferentemente dos regeneradores conhecidos, passivos, os quais operam através de troca térmica entre o gás e um elemento estático, operante por condução de calor entre o gás o seu corpo.
[038] O elemento de força motriz, 312, é o responsável por executar o trabalho mecânico e disponibilizá-lo para usos. Este elemento de força motriz opera pelas forças do gás de trabalho do motor, este elemento poderá ser projetado de várias formas, dependendo das exigências de projeto, poderá, por exemplo, ser em forma de turbina, em forma de pistões com cilindro, bielas, virabrequins, em forma de diafragma ou em outra forma que permita a realização de trabalho a partir das forças do gás durante as conversões termodinâmicas.
DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[039] As figuras anexas demonstram as principais características e propriedades dos conceitos antigos das máquinas térmicas e as inovações propostas baseadas no sistema híbrido ou binário, as quais estão assim reiacionadas:
A figura 1 representa o conceito de sistema termodinâmico aberto e o conceito de sistema termodinâmico fechado;
A figura 2 representa a característica de todos os ciclos termodinâmicos fundamentados nos sistemas aberto e fechado;
A figura 3 mostra a ideia original da máquina térmica de Carnot, conceituada em 1824 por Nicolas Sadi Carnot;
A figura 4 representa o conceito de sistema termodinâmico híbrido ou binário;
A figura 5 representa a característica dos ciclos termodinâmicos diferenciais fundamentados no sistema híbrido ou binário;
A figura 6 mostra o sistema termodinâmico híbrido ou binário e um ciclo termodinâmico diferencial e o detalhe dos dois processos termodinâmicos que ocorrem simultaneamente;
A figura 7 mostra o modelo mecânico constituído pelos dois subsistemas termodinâmicos que formam um motor térmico sob o conceito de sistema híbrido ou binário e seu regenerador ativo;
A figura 8 mostra c motor indicando a fase em que um dos regeneradores, elemento 310, equaliza a sua temperatura à temperatura da fonte quente;
A figura 9 mostra o motor indicando a fase em que o segundo regenerador, elemento 314, equaliza a sua temperatura à temperatura da fonte quente;
A figura 10 mostra um dos subsistemas, grupo 31 , realizando o processo isotérmico de alta temperatura do ciclo termodinâmico e o segundo subsistema, grupo 37, realizando o processo isotérmico de baixa temperatura do cicio termodinâmico;
A figura 1 1 mostra um dos subsistemas, grupo 31 , realizando o processo isocórico de abaixamento da temperatura, do ciclo termodinâmico e o segundo subsistema, grupo 37, realizando o processo isocórico de levantamento da temperatura do ciclo termodinâmico;
A figura 12, mostra por sua vez, o primeiro subsistema, grupo 31 , realizando o seu processo isotérmico de baixa temperatura do ciclo termodinâmico e o segundo subsistema, grupo 37, realizando o processo isotérmico de alta temperatura do ciclo termodinâmico;
A figura 13 mostra primeiro subsistema, grupo 31 , realizando o processo isocórico de levantamento da temperatura, do ciclo termodinâmico e o segundo subsistema, grupo 37, realizando o processo isocórico de abaixamento da temperatura do ciclo termodinâmico;
A figura 14 mostra o ciclo termodinâmico ideal do regenerador ativo;
A figura 15 mostra o detalhe do ciclo termodinâmico de um dos subsistemas e o ciclo termodinâmico no processo de transferência de calor para o seu respectivo regenerador ativo;
A figura 16 mostra o detalhe do ciclo termodinâmico de um dos subsistemas e o ciclo termodinâmico no processo de regeneração do calor por parte de seu respectivo regenerador ativo;
A figura 17 mostra o ciclo termodinâmico diferencial ideal composto por dois processos isotérmicos de alta temperatura, dois processos isotérmicos de baixa temperatura dois processos isocóricos de abaixamento de temperatura, transferência de calor, dois processos isocóricos de elevação de temperatura, regeneração de calor, e os processos termodinâmicos do regenerador ativo;
A figura 18 mostra um exemplo de aplicação do motor para uma planta geradora de eietricidade tendo como fonte primária a energia geotermal;
A figura 19 mostra um exemplo de aplicação do motor para uma planta geradora de eietricidade tendo como fonte primária a energia termossolar.
DESCRIÇÃO DETALHADA DO INVENTO
[040] O motor de ciclo diferencial constituído por dois processos isotérmicos de alta temperatura, dois processos isotérmicos de baixa temperatura, dois processos isocóricos de transferência de calor, dois processos isocóricos de regeneração de calor com regenerador ativo é fundamentado em um sistema termodinâmico híbrido, ou também pode ser denominado de sistema termodinâmico binário por possuir dois subsistemas termodinâmicos interdependentes os quais cada um realiza um ciclo termodinâmico que interagem-se entre si, podendo trocar calor, trabalho e massa conforme é representado na figura 4. Em 22, da figura 4, é mostrado o sistema híbrido ou binário, composto por dois subsistemas indicados por 21 e 23.
[041] Na figura 6 é mostrado novamente o sistema termodinâmico híbrido ou binário e o ciclo termodinâmico diferencial, detalhando, neste caso os processos isotérmicos, que quando em um dos subsistemas, no tempo (t1 ) o ciclo opera com massa (m1 ), número de mol (n1 ) e temperatura (Tq), neste mesmo instante, simultaneamente, no outro subsistema, o ciclo opera com massa (m2), número de mol (n2), temperatura (Tf). Em uma máquina baseada em um sistema híbrido ou binário, composto por dois subsistemas, a soma da massa de gás de trabalho é sempre constante (m1 + m2 = cte), porém não necessariamente são constantes nos seus respectivos subsistemas, entre eles pode haver troca de massa.
[042] Na figura 7 é mostrado o modelo de motor baseado no sistema híbrido ou binário, contendo dois subsistemas indicado por 31 e 37. Cada subsistema possui sua câmara de conversão termomecânica, 33 e 35, um elemento de força motriz, 312, um regenerador ativo, 310 e 314, seus eixos de transmissão, respectivamente, 38, 39, 31 1 e 313, 315, 316. Fazendo conexão entre os subsistemas para os processos de transferência de massa, há um elemento de transferência de massa 34.
[043] Na figura 8 e figura 9 é mostrado o processo responsável por gerar o estado inicial de operação dos regeneradores, 310 e 314. No estado inicial de operação, os regeneradores são, ambos, levados à equalizar-se com a temperatura da fonte quente (Tq). Na figura 8, enquanto um dos subsistemas, 31 , realiza sua isotérmica de alta temperatura, seu respectivo regenerador é pressurizado por força mecânica através das transmissões, 38, 39 e 31 1 , equalizando-se com a temperatura do gás de trabalho do subsistema 31 em (Tq), mostrado no gráfico da figura 14 no trajeto indicado em 71. Na figura 9, enquanto o segundo subsistema, 37, realiza sua isotérmica de alta temperatura, seu respectivo regenerador é pressurizado por força mecânica através das transmissões, 316, 315 e 313, equalizando-se com a temperatura do gás de trabalho do subsistema 37 em (Tq), mostrado também no gráfico da figura 14 no trajeto indicado em 71.
[044] As figuras 10, 1 1 , 12 e 13 mostram como ocorrem mecanicamente os oito processos, quatro isotérmicos e quatro isocóricos com transferência de massa e com regeneração do calor. Na figura 10, o subsistema 31 expõe o gás de trabalho à fonte quente, na temperatura (Tq), indicado em 317, este subsistema executa o processo isotérmico de alta temperatura e simultaneamente o subsistema indicado por 37 expõe o gás de trabalho à fonte fria, na temperatura (Tf), indicado em 318, e neste instante, simultaneamente, este subsistema executa o processo isotérmico de baixa temperatura. Estes processos se alternam ente os subsistemas, conforme mostrado na figura 12. Após finalização dos processos isotérmicos, na figura 1 1 e 13são mostrados como os subsistemas processam os seus respectivos processos isocóricos com ou sem transferência de massa e com regeneração, após o subsistema 31 finalizar seu processo isotérmico de alta temperatura, o gás é exposto a uma região isolada termicamente, indicado por 32, o gás, inicialmente na temperatura quente (Tq), cede calor para o regenerador 310 o qual parte do estado quente, expande o gás interno até retirar o calor do gás de trabalho e seu próprio, até atingir a temperatura fria (Tf) através da expansão do gás, transferindo a energia para seu eixo em forma de energia mecânica, simultaneamente, parte do gás de trabalho do subsistema 31 , com pressão maior, é transferido para o subsistema 37 em pressão menor através do elemento de transferência de massa indicado em 34, conclui-se assim o processo isocórico de abaixamento da temperatura do subsistema 31 , simultaneamente, o subsistema 37 recebe parte da massa de gás de trabalho do subsistema 31 , e ocorre também, simultaneamente a regeneração do calor do regenerador 314, levando o gás da temperatura fria (Tf) para a temperatura quente através da pressurização do gás interno do regenerador peia energia mecânica nos eixos obtida no processo de expansão, finalizando o processo isocórico de regeneração. E o subsistema 37 passa a ter massa maior que o subsistema 31.
[045] O gráfico da figura 14 esclarece como o regenerador ativo funciona, a curva indicada por 71 mostra o processo inicial para condicionar a operacíonabilidade do regenerador, a curva indicada por 72 mostra o processo do regenerador em operação com o ciclo do motor, ocorre alternadamente e sequencialmente a transferência de calor do gás do motor para o regenerador, este saindo da temperatura quente (Tq) para a temperatura (Tf) e a regeneração quando o processo ocorre ao contrário, partindo da temperatura (Tf) para a temperatura (Tq). Estes processos sempre ocorrem durante as isocóricas do ciclo do motor.
[046] A curva 71 da figura 14 é um processo adiabático e sua energia na unidade (Joule) é representada pela seguinte expressão:
Figure imgf000021_0001
[047] Esta energia (W71) é a energia interna do gás do próprio regenerador que permanece internamente durante todo o tempo em que o motor estará funcionando.
[048] A curva 72 da figura 14 também é um processo adiabático e sua energia na unidade (Joule) é representada pela seguinte expressão:
Figure imgf000021_0002
[049] O primeiro termo da energia (W72) é a própria energia interna do gás mostrado por e permanece indefinidamente no regenerador, o segundo
Figure imgf000021_0003
termo, é a energia das adiabáticas do ciclo do motor nos processo isocóricos.
[050] O processo termodinâmico da curva 72 da figura 14 ocorre nas condições mostradas nos desenhos mecânicos das figuras 1 1 e 13.
[051 ] A figura 15 mostra em 73 os processos que formam o ciclo de um dos subsistemas. O processo (b-c) do cicio mostrado em 73 é isocórico e inicia no ponto (b) a volume constante na temperatura quente (Tq), com (n1) mo! de gás e segue para o ponto (c), transferindo parte da massa de gás, equivalente a (n1 —n2) mol de gás para o outro subsistema e transferindo seu calor (energia) para o regenerador, chegando ao ponto (c) na temperatura fria (Tf) e com (n2) mol de gás. O gráfico 75 mostra o processo em que o regenerador retira o calor do gás do subsistema, através da expansão do gás interno do regenerador ativo.
[052] A figura 16 mostra em 77, simultaneamente ao ciclo mostrado na figura 15, os processos que formam o ciclo do outro subsistema que compreende o conceito do motor formado por dois subsistemas interdependentes. O processo isocórico (b-c) mostrado na figura 15 no primeiro subsistema é de abaixamento da temperatura do gás, a sua energia é transferida ao regenerador ativo, simultaneamente ocorre no segundo subsistema um processo isocórico (4-1 ) de crescimento da temperatura, mostrado na figura 16, a massa de gás equivalente a (n 1 - n2) mol de gás do primeiro subsistema é transferido a partir do ponto (b), mostrado em 73, para o segundo subsistema o qual inicia este processo isocórico com (n2) mol de gás em (4) e chega com (n1) mol de gás em (1 ) na temperatura quente (Tq) recebida da energia armazenada do regenerador ativo, cuja curva de seu processo está indicada em 76.
[053] A figura 17 mostra o ciclo diferencialideal do motor,de oito processos, completo, baseado no conceito de sistema termodinâmico híbrido ou binário, onde sempre ocorrem dois processos simultâneos no motor, exemplificado pelas indicações 86 e 88, até formar o ciclo completo de oito processos e ciclos de dois processos em cada um dos dois regeneradores ativos. Em 82, a sequência (1 -2-3-4-1 ) mostra os processos de um dos subsistemas que formam o ciclo do motor, a sequencia (a-b-c-d-a) mostra os processos do outro subsistema, em 81 são mostrados os processos de um dos regeneradores ativos, em 83 são mostrados os processos do outro regenerador ativo.
[054] Na figura 17, em 82. A curva indicada por 87 mostra os processos (a-b- c-d-a) de um dos subsistemas, o processo (a-b) é isotérmico de a!ta temperatura onde ocorre a entrada de energia no sistema, ocorre simultaneamente com o processo isotérmico de baixa temperatura (3-4) por onde ocorre o descarte da energia não utilizada, da curva indicada por 85 do outro subsistema. O processo (b-c) é isocórico de abaixamento de temperatura, ocorre simultaneamente com o processo (4-1 ), também isocórico, porém de aumento da temperatura, no processo (b-c) ocorre a transferência de calor (energia) do gás do motor para o regenerador cujo ciclo é mostrado em 83, num processo adiabático indicado na curva 89, simultaneamente no processo (4-1 ) ocorre a regeneração do calor (energia) para o gás do motor recebida do regenerador cujo ciclo é mostrado em 81 , também num processo adiabático indicado na curva 84, simultaneamente ainda, durante os processo isocóricos do ciclo do motor e durante os processo adiabáticos dos regeneradores ativos, ocorre a transferência de massa, saindo (n 1 - n2) mol de gás no processo (b- c), para o outro subsistema durante o processo isocórico (4-1 ), mostrado no detalhe 78do gráfico 77 na figura 16. Os processos (2-3) e (d-a) são idênticos aos processos (b-c) e (4-1 ). O processo (c-d) é isotérmico de baixa temperatura e ocorre simultaneamente ao processo (1 -2), isotérmico de alta temperatura. O processo (d-a) é isocórico de aumento de temperatura (regeneração), com incremento de massa e ocorre simultaneamente ao processo (2-3) isocórico de redução de temperatura (transferência de calor ao regenerador), com redução de massa, finalizando assim o ciclo termodinâmico com oito processos do motor, sempre dois simultâneos e os ciclos dos dois regeneradores ativos, cada um com dois processos adiabáticos. A soma da massa de gás de trabalho dos dois subsistemas que formam o motor é sempre constante.
[055] Nas câmaras de conversão do motor, os processos isotérmicos do ciclo do motor (1 -2), (a-b), (3-4) e (c-d) são realizados com o gás confinado em uma geometria que favoreça a transferência de calor entre o gás e os elementos quentes e frios. Esta geometria deve ser caracterizada por baixa profundidade para a trajetória do fluxo de calor no gás e por um rápidodeslocamento, transição, do gás de trabalho entre as câmaras quentes, frias e isoladas. A geometria das câmaras de conversão e gases com difusividade térmica elevadafavorecem a realização dos processos isotérmicos e a velocidade do deslocamento do gás, transição, quanto mais elevada for esta velocidade, menor tempo de transição, melhor definidos serão os processos que formam o ciclo termodinâmico. Os processos isocóricos do ciclo do motor (2-3) e (b-c) são realizados com o gás em uma região isolada termicamente ou na transição entre as áreas quentes e frias do motor, e neste processo o regenerador em contato térmico com o gás de trabalho realizará uma expansão rápida, adiabática, transferindo a energia do gás para os elementos mecânicos do regenerador, armazenando a energia ern forma de energia cinética e nos processos isocóricos do ciclo do motor (4-1 ) e (d-a) são realizados também com o gás em uma região isolada termicamente ou na transição entre as áreas quentes e frias do motor, e neste processo o regenerador em contato térmico com o gás de trabalho realizará uma compressão rápida, adiabática, transferindo a energia cinética de seus elementos de volta para o gás do motor, elevando sua temperatura, concluindo a regeneração.
[056] A tabela 1 mostra processo por processo que formam o ciclo diferencial de oito processos do motor térmico mostrados passo a passo, com quatro processos isotérmicos, quatro processos isocóricos e o ciclo termodinâmico com dois processos adiabáticos do regenerador ativo e etapas de transferência de massa.
Figure imgf000024_0001
[057] Este ciclo diferencial de um motor composto por dois subsistemas baseado no conceito de sistema híbrido ou binário, cuja curva da pressão e do volume é indicado na figura 17, possui oito processos, dois processos isotérmicos de alta temperatura de entrada de energia no sistema, curvas (1-2) e (a-b) são representadas pelas expressões (f) e (g), dois processos isotérmicos de baixa temperatura de descarte da energia não utilizada, curvas (3-4) e (c-d) representados pelas expressões (h) e (i), dois processos isocóricos de transferência de calor (2-3) e (b-c) por meio de um regenerador ativo, representados pelas expressões (j) e (k), dois processos isocóricos de regeneração de caíor (4-1) e (d-a), representados pelas expressões (I) e (m). As expressões consideram o sinal do sentido do fluxo das energias.
Figure imgf000025_0001
[058] O total de energia de entrada no motor é a soma das energias
Figure imgf000025_0005
) e é representada pela expressão (n) abaixo.
Figure imgf000025_0002
[059] O total de energia descartada para o meio exterior é a soma das energias e na sua forma positiva, é representada peia expressão
Figure imgf000025_0004
(o) abaixo.
Figure imgf000025_0003
[060] O trabalho útil total do motor, considerando um modelo ideal sem perdas, é a diferença entre a entrada e a saída da energia e é representado pela expressão (p) abaixo.
Figure imgf000026_0001
[061 ] Os processos isocóricos, mostrados pelas expressões (j), (k), (I) e (m) são regenerativos, a energia é transferida no processo de abaixamento de temperatura e regenerada nos processos de aumento da temperatura, isto é, a energia se conserva nos subsistemas.
[062] A demonstração final teórica da eficiência do ciclo diferencial de oito processos, quatro processos isotérmicos, quatro processos isocóricos com transferência de massa e regenerador ativo é dada pela expressão (q) abaixo, caracterizando que os ciclos diferenciais baseados no sistema termodinâmico híbrido ou binário possuem como parâmetro da eficiência, também o número de moles ou massa nos processos e portanto estes ciclos não possuem suas eficiências dependentes exclusivamente das temperaturas..
Figure imgf000026_0002
EXEMPLOS DE APLICAÇÕES
[063] Os motores de ciclo diferenciais baseados no sistema híbrido ou binário operam com calor, não exigem combustão, embora possa ser utilizada, não exige queima de combustíveis, embora possa ser utilizada, portanto podem operar em ambientes com ou sem atmosfera. O ciclo termodinâmico não exige troca de fase física do gás de trabalho. Pelas suas propriedades expostas nesta descrição, os motores de ciclo diferenciais podem ser projetados para operar em uma larga faixa de temperatura, superiores à maioria dos ciclos motores existentes baseados nos sistema aberto ou fechado. Os motores de ciclo diferenciais são totalmente flexíveis quanto à fonte da energia (calor), na figura 18 é mostrado uma aplicação para o emprego do motor de ciclo diferencial para a geração de energia a partir de fontes geotermais. A figura 18 mostra um sistema de transferência de calor do solo 96 para um coletor 94, formado basicamente por uma bomba 97 que injeta um fluido, normalmente água, pelo duto 93. O calor no coletor 94 é transferido para o motor de ciclo diferencial 91 , o qual descarta parte da energia para o meio externo através do trocador de calor 95 e converte outra parte da energia em trabalho, operando um gerador 92 o qual produz eletricidade.
[064] A figura 19 mostra outra aplicação útil para o motor de ciclo diferencial para a produção de energia a partir do calor do sol. Os raios solares são coletados através do concentrador 103, a energia (calor) é transferida para o elemento 104 o qual direciona o calor para o motor de ciclo diferencial 101 , este converte parte da energia em trabalho útil para operar um gerador de eletricidade, 102, parte da energia é descartada ao meio externo através do trocador 105.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1) "MOTOR TÉRMICO", caracterizado por ser composto por dois subsistemas termodinâmicos, (31) e (37), configurando um sistema termodinâmico binário ou híbrido, sendo cada subsistema formado por uma câmara, (33) e (35), contendo gás de trabalho e cada uma destas duas câmaras sãoformadas por três subcâmaras, uma aquecida, (33 com 317) e (35 com 42), uma resfriada, (33 com 41) e (35 com 318), e outra isolada,(33 com 32) e (35 com 36), conectado a estas duas câmaras há um elemento de força motriz,(312), cada subsistema possui um regenerador ativo,(310) e (314),entre os subsistemas há um elemento de transferência de massa, (34), estes dois subsistemas executam simultaneamente cada um deles, um cicio de quatro processos interdependentes formando um ciclo termodinâmico diferencial, (82), único, de oito processos, sendo quatro deles isotérmicos, (a-b), (1 -2), (c-d) e (3-4), quatro isocóricos, (b-c), (2-3), (d-a) e (4-1), com transferência de massa variável.
2) "MOTOR TÉRMICO", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser composto por duas câmaras,(33) e (35), cada câmara é dividida em três subcâmaras, uma subcâmara aquecida, (33 com 317) e (35 com 42), uma subcâmara resfriada, (33 com 41 ) e (35 com 318), e uma subcâmara isolada termicamente, (33 com 32) e (35 com 36), formando cada câmara, um subsistema, (31) e (37), e a junção destes dois subsistemas formam um sistema termodinâmico binário ou híbrido.
3) "MOTOR TÉRMICO", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por possuir um elemento de força motriz, (312), conectado às duas câmaras de conversão termodinâmicas, (33) e (35).
4) "MOTOR TÉRMICO", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por possuir um regenerador ativo, (310) e (314), em cada uma das câmaras.
5) "MOTOR TÉRMICO", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por possuir um elemento de transferência de massa do gás de trabalho, (34), entre as câmaras. 6) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO", particularmente para o controle do ciclo termodinâmico do motor térmico das reivindicações 1 a 5, caracterizado por um processo executado pelo sistema binário ou híbrido formando um ciclo termodinâmico diferencia! de oito processos termodinâmicos do motor,(82), sendo dois isotérmicos de alta temperatura, (a-b) e (1-2), dois isotérmicos de baixa temperatura, (c-d) e (3-4), dois isocóricos de abaixamento de temperatura com transferência de massa, (b-c) e (2-3), dois isocóricos de elevação da temperatura com recebimento de massa, (d-a) e (4-1 ),e dois processos adiabáticos do regenerador, (84) e (89).
7) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO", de acordo com a reivindicação 6, caracterizadopor possuir um processo isotérmico de alta temperatura, (a-b), em um dos subsistemas o qual é executado simultaneamente a outro processo isotérmico de baixa temperatura, (3-4), no outro subsistema e um processo isotérmico de baixa temperatura, (c-d) no primeiro subsistema que é executado simultaneamente a outro processo isotérmico de alta temperatura, (1 -2), no segundo subsistema, compondo os quatro processos isotérmicos do ciclo.
8) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO", de acordo com a reivindicação 6, caracterizadopor possuir um processo isocórico de abaixamento de temperatura e transferência de massa, (b-c), em um dos subsistemas o qual é executado simultaneamente a outro processo isocórico, (4-1), no segundo subsistema, sendo este segundo processo, de aumento da temperatura por meio da regeneração e este processo recebe a massa do processo de abaixamento da temperatura e um processo isocórico de elevação de temperatura, regenerativo com aumento de massa, (d-a), no primeiro subsistema, simultaneamente a um processo isocórico de abaixamento de temperatura, e transferência de massa, (2-3), do segundo subsistema, compondo os quatro processos isocóricos do ciclo.
9) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO", de acordo com as reivindicações 6 e 8, caracterizado por possuir no cicio termodinâmico, dois processos de regeneração da energia - caíor (84) e (89), os quaissão executados pelos regeneradores ativos,(310) e (314), onde a energia - calor - é cedida durante os processos isocóricos de abaixamento de temperatura, (b-c) e (2-3), sendo armazenada no regenerador ativo e recebido, regenerado pelos processos isocóricos de aumento da temperatura, (d-a) e (4-1 ).
10) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO", de acordo com as reivindicações 6, 8 e 9, caracterizadopor possuir no ciclo termodinâmico dois processos de armazenamento da energia, (89), executados pelos regeneradores, (310) e (314), para posterior regeneração, (84), através dos regeneradores ativos os quais absorvem a energia durante os processos isocóricos de abaixamento da temperatura, (b-c) e (2-3), através da expansão do gás interno do regenerador.
11) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO", de acordo com as reivindicações 6, 8 e 9, caracterizado por possuir no ciclo termodinâmico dois processos de regeneração da energia, (84), executados pelos regeneradores ativos, (310) e (314), os quaisdevoívem a energia ao gás do motor durante os processos isocóricos de elevação da temperatura, (d-a) e (4-1 ), através da compressão do gás interno do regenerador.
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