WO2018195626A1 - Motor turbina de ciclo binário composto por três processos politrópicos, quatro processos adiabáticos e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor turbina - Google Patents

Motor turbina de ciclo binário composto por três processos politrópicos, quatro processos adiabáticos e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor turbina Download PDF

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WO2018195626A1
WO2018195626A1 PCT/BR2018/050122 BR2018050122W WO2018195626A1 WO 2018195626 A1 WO2018195626 A1 WO 2018195626A1 BR 2018050122 W BR2018050122 W BR 2018050122W WO 2018195626 A1 WO2018195626 A1 WO 2018195626A1
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WO
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processes
energy
subsystem
cycle
adiabatic
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PCT/BR2018/050122
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English (en)
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Marno Iockheck
Saulo Finco
LUIS Mauro MOURA
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Associação Paranaense De Cultura - Apc
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/02—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines
    • F01D1/04—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines traversed by the working-fluid substantially axially
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F02C1/05—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly characterised by the type or source of heat, e.g. using nuclear or solar energy

Definitions

  • the present invention relates to a turbine-type thermal motor and its seven-process thermodynamic cycle, more specifically a thermal machine characterized by an energy conversion subsystem and an energy conservation subsystem and both perform an interdependent but non-differential binary thermodynamic cycle, operates on gas, this system performs a thermodynamic cycle composed of seven continuous processes, ie all processes occur simultaneously, three of these "polytropic” and four "adiabatic" processes with transfer of dynamically varying mass from one subsystem to another, 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 laws of thermodynamics and underlie all motor cycles known to date.
  • the isolated 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 thermodynamic system in which 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 materials that come into these systems are fuels and oxygen or working fluid or working gas.
  • the energy that enters these systems is heat.
  • the materials that come out of these systems are the combustion or working fluid exhaust, gases, waste, the energies that come out of these systems are 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 of closed thermodynamic systems are external combustion engines such as Stirling cycle, Ericsson cycle, Rankine cycle with closed circuit working fluid, Brayton heat cycle or external combustion, Carnot cycle.
  • the energy that enters this system is heat.
  • the energies that come out of this system are the working mechanical energy and part of the heat dissipated, but no matter comes out of these systems, as they do in the open system.
  • thermodynamic cycles composed of a series of sequential and independent processes, and only one process occurs at a time until the cycle completes, in some cases the processes that form its cycle all occur simultaneously. but with constant gas mass within a single system, such as Brayton cycle turbine engines for example, which is formed by two isobaric and two adiabatic processes. Therefore, the current state of the art until the year 2010 are the Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Brayton, Rankine, Stirling, Ericsson cycle engines and Carnot's ideal theoretical cycle.
  • Equation (a) (U) represents the internal energy in "Joule”, (n) represents the number of mol, (R) represents the universal constant of perfect gases, (7) represents the gas temperature in "Kelvin” and (y) represents the adiabatic coefficient of expansion.
  • 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, Stirling or Ericsson, also external combustion, these are more flexible in their source.
  • the current state of the art comprises a series of engine cycles, 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 engine cycles, most of which require high operating temperatures, especially those of internal combustion, 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, are typically designed to operate at working gas temperatures between 400 ° C and 800 ° C.
  • Rankine and Stirling cycle 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 comprises basically six motor cycles and some versions thereof: the Atkinson cycle Otto cycle, similar to the Sabathe cycle Otto cycle, Diesel cycle, Brayton cycle, Rankine cycle, Stirling cycle, Ericsson cycle and Carnot cycle, ideal theoretical reference for engines based on open and closed systems.
  • 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 engine while considered the ideal, most perfect engine to date, is in theory and within open and closed system concepts considering all ideal parameters, so it is the reference to date for all existing engine concepts.
  • THE Carnot engine is not found in practical use because real materials do not have the properties required to make Carnot engine a reality, the physical dimensions for the Carnot cycle to be executed as in theory would be unviable in a practical case, therefore it is an ideal engine in open system and closed system concepts, but only in the theoretical concept.
  • thermodynamic cycle formed by four isothermal processes and four isochoric processes without regeneration.
  • PCT / BR2013 / 000222 defined as "Thermal machine operating in accordance with Carnot thermodynamic cycle and control process” which consists of two subsystems converting energy into work and operating In each subsystem, a thermodynamic cycle formed by two isothermal processes and two adiabatic processes.
  • thermal motors can be classified as follows: open system based thermal motors, closed system based thermal motors, differential binary cycle hybrid thermal motors and non-differential binary cycle hybrid thermal motors .
  • Otto cycle internal combustion engines Atkinson internal combustion cycle engines, Diesel internal combustion cycle engines, Sabathe internal combustion cycle engines, Brayton internal combustion cycle engines are part of the open system.
  • the closed system is Stirling cycle engines, Ericsson cycle engines, Rankine cycle engines, Brayton external combustion cycle engines, Carnot cycle engines.
  • the hybrid differential cycling system comprises all motors formed by two energy-to-work conversion subsystems.
  • the non-differential binary hybrid cycle system comprises all motors made up of a working energy conversion subsystem and an energy conservation subsystem.
  • the aim of the invention is to eliminate some of the existing problems, minimize other problems and offer new possibilities.
  • a new concept of thermal motors has become indispensable and the creation of new motor motors is necessary. so that the efficiency of the engines would no longer be solely temperature dependent and whose energy sources could be diversified and would allow for engine design for even air (oxygen) environments.
  • hybrid system and differential and binary cycles 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 gas is constant and for this reason they cancel out, demonstrated in the equations, the hybrid differential and binary cycle systems the mass is not necessarily constant, so they do not cancel and their efficiencies they depend on the potentials from which the driving force originates, that is, the pressures.
  • the hybrid system concept provides dependent potentials proportional to the product of the working gas mass by temperature.
  • the mass is variable, its efficiency becomes a non-temperature-dependent but mass-dependent function and for a binary cycle motor composed of three polytropic processes and four adiabatic processes.
  • the efficiency is demonstrated as presented in equation (c) and indicated by graph 21 3 of figure 2.
  • ( ⁇ ) is the yield
  • (7qr) is the maximum temperature of the expansion and high temperature polytropic process, that is, the temperature of the hot source itself
  • (77) is the temperature low temperature and low temperature polytropic process is the cold source temperature
  • all temperatures in "Kelvin” (n1) is the number of moles in the polytropic heating chamber shared by the power conversion subsystem and Energy conservation, indicated by region (ab) indicated at 21 3 in Figure 2
  • (n2) is the moles number of the energy conversion subsystem, indicated by region (cd) in Drawings 21 and 21 3 of Figure 2.
  • the binary concept of the hybrid system always establishes a The cycle formed by two interdependent subsystems, one of conversion and one of conservation, and all processes occur simultaneously, shown in graphs 10, 13 and 16 of figure 1, 213 of figure 2 and 32 of figure 3, enables machines that can operate with low temperatures and, as a consequence, clean renewable sources, such as thermosolar, geothermal, become fully viable and their efficiencies have mass, or number of moles, as shown in equation (c), as a parameter for obtaining better efficiencies, even with relatively low temperature differentials and thermonuclear energies for space uses, eliminating fuel dependency and high reservoir volumes.
  • thermodynamic cycles Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Brayton, Stirling, Ericsson, Rankine and the Carnot cycle operate on a single thermodynamic system and have a constant working gas mass, referenced to the mechanical cycle of the driving force elements, their control is a direct function of the power supply power, in turn the hybrid system binary cycles perform two interdependent cycles, for this reason it is called binary and all its processes occur simultaneously indicated at 10, 13, 16, 213 and 32 of Figures 1, 2 and 3 respectively, 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 no longer the same. contrary to what happens in the motors of the open and closed systems.
  • Binary cycle turbine engines are characterized by having two subsystems, forming a complex hybrid system, represented by 21 in figure 2, each subsystem executing a cycle referenced to the other subsystem in order to always perform all its simultaneous processes and interdependent. Otherwise, considering a hybrid binary cycle system with properties of open and closed systems At the same time, the system is said to perform a composite thermodynamic cycle, indicated by 213 and 32 of FIGS. 2 and 3, that is, it always performs all processes simultaneously, including mass transfer between the subsystems. Therefore these are turbine engines and cycles completely different from engines and cycles based on open or closed or hybrid differential cycle systems.
  • Figure 2 shows the correlation of the mechanical model indicated in 21 and the cycle graph indicated in 213.
  • thermodynamic system The concept of binary cycles of the hybrid thermodynamic system is new, characterized by a system formed by two interdependent subsystems and between them there is exchange of matter and energy, and one of them supplies out of bounds energy in working form and part of the heat-dissipated energy and the other subsystem is energy conservation.
  • 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 as to the energy source (heat), the independence of the atmosphere, does not require atmosphere for a binary cycle motor to operate, the flexibility regarding the temperatures, the motor of Torque cycle can be designed to operate over a very wide temperature range, well above most motors based on open and closed systems, including a torque 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 main features that distinguish the hybrid cycle motors based on the hybrid system are their controllability due to the modulation ease promoted by the existence of two subsystems whose mass transfer between them is controlled by means of valves or other actuators in order to facilitate the control of torque and rotation. Therefore, the advantages observed include the flexibility of the sources, promoting the use of clean and renewable sources, thermonuclear source for space uses, as the operational advantages, being able to operate theoretically in any temperature range, in environments with or without atmosphere and its control property. of rotation and torque.
  • Binary cycle turbine engines based on the hybrid system concept may be constructed from materials and techniques similar to conventional engines, such as Brayton cycle engines, as it is a closed-loop gas engine, Considering the complete system, this closed-circuit working gas concept with respect to the external environment indicates that the system must be sealed, or in some cases leaks may be allowed provided they are compensated. Suitable materials for this technology should be noted, which are similar in this respect to Brayton external combustion 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 system, may be constructed of various materials, depending on design temperatures, working gas used, pressures involved, environment and operating conditions. One of these chambers is heated by the power source, another is cooled by a cooling or cooling system, and another is insulated and these must be designed observing the thermal insulation requirement to minimize direct flow of energy from hot to cold areas, this condition is important for overall system efficiency.
  • Mass transfer occurs via a valve 23, an expansion rotor 25, and a compression rotor 27, and this transfer always occurs after the conversion of energy into useful work in process (ab) shown in Figure 2. .
  • the main driving force element is the turbine rotor indicated in 24 and is responsible for performing the mechanical work and making it available for use. This driving force element operates by the working gas forces of the engine.
  • Figure 1 shows the differences between three binary cycle motors of the hybrid system, indicated in 10 are the curves that characterize the binary cycle formed by three isothermal processes 1 1, and four adiabatic processes 12. Indicated in 13 are the curves that characterize the binary cycle formed by three isobaric processes 14, and four adiabatic processes 15. Indicated in 16 are the curves that characterize the binary cycle formed by three polytropic processes 17, and four adiabatic processes 18 which conceptualizes the motor cycle of this invention. ;
  • Figure 2 indicated at 21, represents the mechanical model of the seven process, three polytropic and four adiabatic binary cycle turbine engine. In 213 the binary cycle mentions the regions of the mechanical model where the processes occur;
  • Figure 3, indicated at 31, shows a turbine engine concept model with an approximate realistic demonstration, and at 32 the binary cycle making reference to the regions of the mechanical concept model where the processes take place;
  • Figure 4 presents the turbine engine model with an approximate realistic demonstration again, pointing out in more detail its main elements and the channels and chambers where the conversion cycle and the energy conservation cycle occur;
  • Figure 5 represents, indicated in 51, 52 and 53 three curves of the binary cycle under different conditions between the conversion and conservation cycles, showing how the power differentials occur as a function of greater or lesser mass transfer between the subsystems;
  • Figure 6 is a diagram of an example of using a binary cycle turbine engine for power generation
  • Figure 7 shows a diagram of an example of using a binary cycle turbine engine for power generation from a thermonuclear battery, pointing out possibilities for space designs or applications in environments without combustion atmosphere;
  • the binary cycle engine consisting of an energy conversion subsystem, an energy conservation subsystem, a polytropic heating process, a polytropic cooling process, a heat-insulated polytropic compression process, two adiabatic expansion processes and two adiabatic compression processes is based on a hybrid thermodynamic system because it has two interdependent thermodynamic subsystems which each perform a thermodynamic cycle that interact with each other and can exchange heat, work and mass as shown in Figure 1 indicated by 16 and Figure 2 indicated by 213.
  • the energy input is indicated by 21 1 in graph 213 of Figure 2
  • the power output, ie cooling is indicated by 212
  • useful work is indicated by conversion cycle paths (abcda) and conserved energy is indicated by conservation cycle paths (ab-c'-d'- a).
  • a three-way proportional control valve 23 is used to direct the desired gas mass to the conservation process.
  • the turbine rotor of the conversion process 24 conducts the working gas to the cooling chamber 28, in this chamber the gas mass is cooled in a low temperature polytropic process in the range of ⁇ Tc) to ⁇ Td), whereby (Td) tends to approach cold source temperature (Tf), pressure increases in this process during value compression (Pc) to (Pd), conversion process compressor rotor 26 performs gas compression process adiabatically back to the heating chamber 22 and to the hot temperature.
  • the conservation process turbine rotor 25 conducts the conservation gas mass to the thermally isolated compression chamber 29 in this chamber the gas mass is cooled in a low temperature polytropic process in the range of ⁇ Tc) to ⁇ Td, where ⁇ Td) tends to approach the cold temperature (Tf), the pressure grows in this process during compression of the value (Pc ') to (Pd'), the conservation process compressor rotor 27 performs the process of compressing the gas mass and its associated conservation energy adiabatically back to the heating chamber 22 and at high temperature.
  • the power input is indicated by 21 1
  • the gas energy dissipation after work is indicated by 212. Useful work is obtained on axis 210. Therefore, the basic design of the binary cycle turbine engine is defined.
  • thermodynamic subsystems consisting of four sets of rotors, 24, 25, 26 and 27, of which two sets for the energy conversion subsystem, 24 and 26 and two sets for the energy conservation subsystem, 25 and 27, an energy conversion subsystem formed by a polytropic expansion heating chamber 22, an adiabatic expansion turbine rotor 24, an adiabatic compression compressor rotor 26, a polytropic compression cooling chamber 28, an energy conservation subsystem formed by a polytropic expansion chamber 22 in common with the conversion subsystem, an adiabatic expansion turbine rotor 25, an adiaba compression compressor rotor 27, a thermally insulated polytropic compression chamber 29, a three-way proportional control valve 23, interconnecting the polytropic expansion chamber 22 to the energy conversion subsystem turbine rotors 24 and the conservation conservation subsystem turbine rotors.
  • the polytropic processes of this cycle are the processes by which heat input and output flow occurs. This process may vary dynamically as the turbine engine operates, turning slower may operate closer to the isothermal process when the constant (/) approaches "one" (k ⁇ 1), and spinning faster may operate. closest to the isobaric process when the constant (/) approaches "zero" (k ⁇ 0), and the pressure-volume curve will have an intermediate slope between the curves of an isothermal process and a process isobaric.
  • FIG. 2 at 21 3 is shown the graph of pressure and volumetric displacement demonstrating how the processes that form the non-differential binary cycle that occur in the mechanical model of turbine engine 21 occur, all processes, also called thermodynamic transformations. occur simultaneously, the path (ab) shows the polytropic processes of expansion and high temperature of the conversion subsystem and the conservation subsystem, but in this path, the conservation process does not use the energy from the source, this only occurs at the beginning of the operation. turbine motor until it reaches the potential differential, from this moment the energy is conserved, that is, the process energy (ab) of the conservation cycle is equal to the process energy (c'-d ') of the process conservation cycle compression.
  • Path (bc) represents the conversion subsystem adiabatic expansion process, this process has the same energy as the conversion subsystem adiabatic compression process (da).
  • the path (b-c ') represents the adiabatic expansion process of the conservation subsystem, this process has the same energy as the adiabatic compression process (d'-a) of the conservation subsystem.
  • the path (cd) represents the polytropic compression process of cooling or heat dissipation of the energy conversion subsystem.
  • the path (c'-d ') represents the thermally isolated process of polytropic compression of the conservation subsystem, this energy is not dissipated, it remains conserved to maintain the thermodynamic potential.
  • the presented binary cycle turbine engine operates by a process composed of seven thermodynamic transformations, also called processes, which form the binary cycle of turbine engine 21 being a process or transformation of high temperature heating (ab) heating expansion.
  • energy conversion and conservation systems, and the gas fraction ( ⁇ ) of the conservation subsystem only receives energy from the hot source at the start of the turbine engine, and subsequently in continuous operation, this gas fraction retains its energy alternating between heat and kinetic energy by lending itself to maintain engine operating potentials, not being used to produce external work, an adiabatic expansion process or transformation of the power conversion subsystem (bc), an adiabatic expansion process or transformation energy conservation subsystem (b-c '), a low temperature cooling (cp) polytropic compression process or transformation of the energy conversion subsystem, a polytropic (c'-d') process or transformation of the energy conservation subsystem, an adiabatic compression process or transformation of the energy conversion subsystem (da), an adiabatic compression process or transformation of the energy conservation subsystem (d '-a) and a modulation process
  • the conservation subsystem has some very important functions, the most important being the definition of the potentials in which the engine will operate.
  • Thermal motors operate between two potentials, because to produce work mass flow is required, and flux can only occur when there is a potential difference that generates a mass flow from the highest potential to the lowest potential, motion, and consequently, work.
  • the thermal motors designed based on the open or closed systems have constant working gas mass, to generate potential difference a temperature difference is also necessary, when the mass is constant, the potential difference will depend on the temperature only verify through the equation of the universal gas law.
  • the most important function of the conservation subsystem is to generate a difference also in the working gas mass between the heating and cooling chambers, so the potential difference will depend, besides the temperature difference, also the mass difference, but it is important that the project considers that the engine will not be able to perform all the work that the gas mass and the temperature difference allow, part of this work cannot be used, it must be conserved.
  • the function of maintaining the potential difference that is, of mass, this energy is not lost, it conserves and promotes greater motor efficiency to the limit where all the mass is used in conservation, in which case the efficiency will tend to the maximum. , close to 100%, but the work will tend to the minimum, close to zero. Therefore the design of an engine must follow criteria between efficiency and work.
  • the motor needs power to generate the potential differential, but once established, it will be maintained throughout its operation, so the motor must be designed and its process controlled so that it does not convert useful work to energy. used to maintain the potential differential, if it does, efficiency will fall.
  • Figure 3 presented a model turbine engine concept with an approximate realistic demonstration, in the region between points (a) and (b) there is the polytropic heating process between points (b) and (c) the adiabatic process of expansion of the energy conversion subsystem occurs between points (b) and (c ') the adiabatic process of expansion of the energy conservation subsystem occurs between points (c) and (d ) occurs the polytropic process of cooling of the working gas of the energy conversion subsystem, between points (c ') and (d') occurs the polytropic process of compression of the energy conservation subsystem, between points (d) and (a) the adiabatic compression process of the energy conversion subsystem occurs, between points (d ') and (a) the adiabatic compression process of the energy conservation subsystem occurs.
  • FIG. 3 indicated at 32, the graph of the pressure and volumetric displacement of the non-differential binary cycle that occurs in the mechanical model of the turbine engine indicated at 31 is shown, the path (ab) shows the process high temperature polytropic conversion and conservation subsystem, but in this path, the conservation process does not use the energy of the source, this only occurs at the operational start of the engine until it reaches the potential differential, from this At the moment the energy is conserved, that is, the process (ab) of the conservation cycle is equal to the process (c'-d ') of the compression process.
  • Path (bc) represents the conversion subsystem adiabatic expansion process, this process has the same energy as the conversion subsystem adiabatic compression process (da).
  • the path (b-c ') represents the adiabatic expansion process of the conservation subsystem, this process has the same energy as the adiabatic compression process (d'a) of the conservation subsystem.
  • the path (cd) represents the polytropic compression process of cooling or heat dissipation of the energy conversion subsystem.
  • the path (c'-d ') represents the polytropic compression process of the conservation subsystem, this energy is not dissipated, it remains conserved to maintain thermodynamic potential.
  • Figure 4 indicated at 41, shows the turbine engine concept model with a realistic demonstration in more detail
  • region 42 the rotors of the power conversion subsystem are shown
  • region 43 the rotors of the compressor of the energy conservation subsystem
  • region 44 shows the chamber of the polytropic working gas heating process
  • region 45 shows the three-way proportional control valve that has the function of channeling part of the working gas mass to the energy conservation subsystem turbines
  • region 46 is shown the energy conservation subsystem turbine rotor
  • region 47 the energy conversion subsystem turbine rotors are shown
  • region 48 the compression chamber is shown of the polytropic cooling process of the energy conversion subsystem
  • region 41 1 the compression chamber of polytropic cooling of the energy conservation subsystem
  • the flow of working mass of the energy conversion subsystem is indicated by 49
  • the mass flow of the energy conservation subsystem is indicated by 410.
  • FIG. 5 shows the binary cycle under different operating conditions of the binary cycle turbine engine, in almost all working gas is used in the energy conversion process in the conversion subsystem and a small fraction of the gas mass is used in the energy conservation process, in this case the working gas is subject to a lower potential differential, although almost all the working gas participates in the conversion process, the efficiency is lower because the efficiency is proportional to the potential difference (Pa, Pb) and (Pc, Pd), in 52 a larger fraction of the working gas is used in the energy conservation process in the conservation subsystem compared to the graph indicated in 51, and a larger fraction gas mass is used in the energy conservation process, in which case the working gas is subjected to a higher potential differential than the previous case, the efficiency increases because If the efficiency is proportional to the difference of the potentials defined by (Pa, Pb) and (Pc, Pd), in the third graph, indicated by 53, the gas mass of the conservation process is even higher, it can be observed that in this case the work decreases.
  • Table 1 shows the seven processes (ab, bc, b-c ', cd, c'-d', da, d'a) that form the non-differential torque cycle of the turbine engine, shown step by step. , with three polytropic processes and four adiabatic processes. Table 1
  • Table 1 shows all processes that form the binary cycle, but all steps 1, 2, 3, and 4 occur simultaneously, unlike most processes that form differential cycle motor cycles which normally occur in pairs and is different from open and closed system based motor cycles which normally occur one by one sequentially except for the Brayton cycle.
  • Figure 6 shows, for example, a simplified power generation system, the turbine motor 61 is connected to a starter motor 62 and an electricity generator 63.
  • Figure 7 indicated by 71 shows, as an example, how the binary cycle turbine engine can be applied to form a system for generating electricity from a generic thermal source 72 which can be of various nature, thermosolar, geothermal. , thermonuclear or various other sources, including by combustion or heat exchangers in cogeneration systems.
  • a thermal fluid is heated by the source and fed to the turbine engine heating system by means of a pump 73.
  • the flow of the thermal fluid is indicated by 74.
  • the thermal fluid may be any flowable, pumping fluid having properties. to carry the heat. As it is a motor that operates basically with heat and in several temperature ranges, it can be used for power generation or mechanical force in environments without atmosphere, for example, in space or submerged.
  • This non-differential torque cycle of a turbine engine consisting of two subsystems, a conversion subsystem, a conservation subsystem, based on the hybrid system concept, whose pressure and volume curve is indicated by 21 3 in Figure 2.
  • has seven processes a high temperature polytropic process of energy input into the system, (ab), with (n) mol of gas, represented by the expression (e), a low temperature polytropic process and unused energy disposal ( cd), with (n 2 ) mol of gas, represented by expression (f), an adiabatic conversion subsystem expansion process, (bc), represented by expression (g), an adiabatic conservation subsystem expansion process, (b-c '), represented by the expression (h), a low temperature thermally insulated polytropic process of energy conservation, heat transformation at work, kinetic energy, (c'-d'), with ( ⁇ ) mol gas, an adiabatic process that of the conversion subsystem compression, (da), represented by the expression (i), an adiabatic conservation subsystem compression process, (
  • Hybrid based non-differential binary cycle turbine engines operate on heat, do not require combustion, although they can be used, do not require fuel combustion, although they can be used, so they can operate in environments with or without atmosphere.
  • the thermodynamic cycle does not require changing the physical state of the working gas. Due to their properties described in this description, non-differential binary cycle turbine engines can be designed to operate over a wide range of higher than most existing motor cycles based on open or closed systems.
  • Non-differential binary cycle turbine motors are fully flexible as to the energy source (heat).
  • Figures 6 and 7 show applications for the use of these motors for power generation and mechanical power generation from power sources. from various sources, indicating its applicability for mechanical power generation or power generation in atmospheric or atmospheric environments, for sustainable projects using clean and renewable energy, for aerospace projects and even for combined cycle projects.

Abstract

Refere-se a presente invenção a um motor térmico contendo uma câmara de aquecimento de expansão politrópica (22) processo politrópico, uma válvula de controle proporcional de três vias (23), dois rotores de turbina (24) e (25), dois rotores de compressor (26) e (27), todos ligados ao eixo (210), uma câmara de compressão politrópica isolada termicamente (29) e uma câmara de resfriamento de compressão politrópica (28). Tais componentes formam dois subsistemas, um subsistema de conversão de energia e um subsistema de conservação de energia onde ambos executam um ciclo termodinâmico binário interdependentes, porém não diferencial. Operando com gás, realizando um ciclo termodinâmico composto por sete processos contínuos, isto é, todos os processos ocorrem simultaneamente, sendo três destes processos "isobáricos" e "quatro adiabáticos" com transferência de massa variável de um dos subsistemas para o outro dinamicamente, podendo esta ser nula ou parcial.

Description

"MOTOR TURBINA DE CICLO BINÁRIO COMPOSTO POR TRÊS PROCESSOS POLITRÓPICOS, QUATRO PROCESSOS ADIABÁTICOS E PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TURBINA"
CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO
[001 ] Refere-se a presente invenção a um motor térmico tipo turbina e seu ciclo termodinâmico de sete processos, mais especificamente trata-se de uma máquina térmica caracterizada por um subsistema de conversão de energia e um subsistema de conservação de energia e ambos executam um ciclo termodinâmico binário interdependentes, porém não diferencial, opera com gás, este sistema realiza um ciclo termodinâmico composto por sete processos contínuos, isto é, todos os processos ocorrem simultaneamente, sendo três destes processos "politrópicos" e quatro "adiabáticos" com transferência de massa variável de um dos subsistemas para o outro dinamicamente, 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 leis 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. As matérias que entram nestes sistemas são os combustíveis e oxigénio ou fluido de trabalho ou gás de trabalho. A energia que entra nestes sistemas é o calor. As matérias que saem destes sistemas são a exaustão da combustão ou do fluido de trabalho, gases, resíduos, as energias que saem 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. As energias que saem 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] Em ambos os sistemas, aberto e fechado, toda a massa do gás de trabalho é exposta à energia de entrada, calor ou combustão e toda ela também, é exposta ao resfriamento ou arrefecimento, isto é, a massa do gás de trabalho é constante em seus processos e a diferença entre ambos é que no sistema aberto a massa de gás de trabalho atravessa o sistema, e no sistema fechado a massa permanece no sistema.
O ESTADO ATUAL DA TÉCNICA
[007] Os motores conhecidos até o ano de 2010 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, em alguns casos, os processos que formam seu ciclo ocorrem todos simultaneamente, porém com a massa de gás constante dentro de um único sistema, como os motores tipo turbinas do ciclo Brayton por exemplo, o qual é formado por dois processos isobáricos e dois processos adiabáticos. Portanto, formam o estado atual da técnica até o ano de 2010 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).
U = ~ ~7 Joule (a)
[009] Na equação (a), (U) representa a energia interna em "Joule", (n) representa o número de mol, (R) representa a constante universal dos gases perfeitos, ( 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 mol (ri) pela temperatura ( 7), (n. T) não é constante durante 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 atual 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 pela 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, 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, o Stirling ou o Ericsson, também de combustão externa, estes são mais flexíveis quanto a fonte.
[013] O atual estado da técnica compreende uma série de ciclo motores, a maioria exige combustão, isto é, a queima de algum tipo de combustível, e, portanto, a necessidade de oxigénio.
[014] 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 ciclo 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).
[015] Na equação (b), (ή) é o rendimento, (77) é a temperatura da fonte fria e { Tq) é a temperatura da fonte quente, ambas em "Kelvin".
[016] O estado atual da técnica, baseado nos sistemas aberto e fechado, compreende basicamente seis ciclos motores e algumas versões destes: o ciclo Otto, de ciclo Atkinson, 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 sistemas aberto e fechado. As últimas novidades do estado atual da técnica vem sendo apresentadas através de inovações juntando-se mais de um ciclo antigo formando ciclos combinados, isto é: novos sistemas de motores compostos por uma máquina de ciclo Brayton operante com combustíveis de origem fóssil, gás ou óleo e uma máquina de ciclo Rankine dependente do calor rejeitado pela máquina de ciclo Brayton. Ou a mesma filosofia, unindo-se um motor de ciclo Diesel com um de ciclo Rankine ou ainda um motor de ciclo Otto, também unindo-o com um motor de ciclo Rankine.
[017] O estado atual da técnica apresenta uma série de limitações e oferece também uma série de problemas. A maioria dos motores, como os de combustão interna, de ciclo Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe e Brayton, exigem combustíveis específicos para cada conceito, por exemplo: gasolina, óleo diesel, gás, querosene, 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, trazem como limitação de eficiência o teorema de Carnot o qual, em função de seu princípio, impõe o limite da eficiência como função direta e exclusiva das temperaturas, conforme equação (b).
[018] A maioria dos motores da atualidade exigem combustíveis refinados e poluentes com efeitos nocivos ao clima, ao ambiente e, portanto, comprometem a sustentabilidade. Uma das mais recentes tecnologias desenvolvidas para minimizar o impacto, foi a junção de dois antigos conceitos de motores, o motor de ciclo Brayton e o motor de ciclo Rankine, formando um sistema composto por dois ciclos combinados, de forma tal que o rejeito de calor da primeira máquina é utilizado pela segunda máquina para melhorar a eficiência do conjunto, porém o uso de combustíveis fósseis e seus efeitos 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.
[019] 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, porém fora do ponto central de operação suas eficiências caem bruscamente ou não operam, portanto são máquinas muito pouco utilizadas para uso industrial ou popular.
[020] O motor ideal de Carnot, 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 apenas no conceito teórico.
[021 ] O controle de potência, rotação e torque, dos motores existentes, de ciclo Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Brayton, estes de combustão interna, são 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.
[022] O controle de potência, rotação e torque dos motores existentes de ciclo Rankine, este de combustão externa, são decorrentes da vazão e da pressão do vapor ou gás de trabalho, e como resultado oferecem variações interdependentes de rotação e torque simultaneamente, não há controlabilidade separada entre torque e rotação.
[023] O controle de potência, rotação e torque dos motores existentes de ciclo Stirling e Ericsson, estes de combustão externa, são decorrentes da massa ou pressão do gás de trabalho, das temperaturas, da geometria construtiva, e como resultado oferecem variações interdependentes de rotação e torque simultaneamente, não há controlabilidade separada entre torque e rotação. Estas máquinas possuem suas curvas de operação muito estreitas oferecendo baixa controlabilidade e uma faixa estreita de operacionalidade. Nestes casos são comuns projetos que não funcionam porque os parâmetros nas suas interdependências podem não oferecer as condições que levam o motor a funcionar. [024] 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 de conversão de energia em trabalho integrados. A patente "PI 1000624-9" registrada no Brasil definida como "Conversor de energia termomecânico" é constituído por dois subsistemas que operam 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 de conversão de energia em trabalho e opera em cada subsistema, um ciclo termodinâmico formado por dois processos isotérmicos e dois processos adiabáticos. A patente "PCT/BR2014/000381 " registrada nos Estados Unidos da América definida como "Máquina térmica diferencial com ciclo de oito transformações termodinâmicas e processo de controle" a qual é constituída por dois subsistemas de conversão de energia em trabalho e opera um ciclo termodinâmico formado por quatro processos isotérmicos e quatro processos adiabáticos. Estas referências diferem da presente invenção especialmente por duas características bem marcantes, a mais importante é que as referências citadas são caracterizadas por ciclos diferenciais e possuem dois subsistemas de conversão de energia em trabalho, enquanto a tecnologia proposta possui um subsistema de conversão de energia em trabalho e o outro subsistema de conservação de energia, e seu ciclo é binário e não diferencial e os processos são contínuos, isto é, todos os processos que formam o seu ciclo ocorrem simultaneamente. O conceito de sistema termodinâmico híbrido ou binário oferece a base para o desenvolvimento de novas famílias de motores térmicos, a família de motores térmicos de ciclos binários diferenciais e a família de motores térmicos de ciclos binários não diferenciais e cada motor terá características próprias conforme os processos e fases que constituem os seus respectivos ciclos termodinâmicos.
[025] Portanto os motores térmicos podem ser classificados da seguinte forma: motores térmicos fundamentados no sistema aberto, motores térmicos fundamentados no sistema fechado, motores térmicos fundamentados no sistema híbrido de ciclo binário diferencial e motores térmicos fundamentados no sistema híbrido de ciclo binário não diferencial.
[026] Fazem parte do sistema aberto os motores de ciclo Otto de combustão interna, motores de ciclo Atkinson de combustão interna, motores de ciclo Diesel de combustão interna, motores de ciclo Sabathe de combustão interna, motores de ciclo Brayton de combustão interna. Fazem parte do sistema fechado os motores de ciclo Stirling, motores de ciclo Ericsson, motores de ciclo Rankine, motores de ciclo Brayton de combustão externa, motores de ciclo Carnot.
[027] Fazem parte do sistema híbrido de ciclos diferencias todos os motores formados por dois subsistemas de conversão de energia em trabalho. Fazem parte do sistema híbrido de ciclos binários não diferenciais todos os motores formados por um subsistema de conversão de energia em trabalho e um subsistema de conservação de energia.
OBJETIVOS DA INVENÇÃO
[028] Os grandes problemas do estado da técnica são, portanto, a dificuldade das tecnologias atuais a atender projetos sustentáveis em função da dependência de combustíveis fósseis, poluentes, com impactos graves ao ambiente e ao clima, baixa eficiência, limitada exclusivamente às temperaturas, demonstrado pelo teorema de Carnot, baixo nível de controlabilidade em função das limitações na variabilidade dos parâmetros dos modelos fundamentados nos sistemas termodinâmicos aberto e fechado, falta de flexibilidade quanto às fontes de energia, muitos exigem combustíveis refinados e específicos, dependência do ar (oxigénio) para combustão.
[029] Outro grande problema do estado da técnica atual são as tecnologias para aplicações espaciais na geração de eletricidade para sistemas elétricos e para gerar eletricidade para sistemas de propulsão baseadas na eletricidade como por exemplo os motores iónicos. Painéis solares exigem grandes dimensões para a produção de energia razoável, limitando-os a projetos não muito distante do sol, máquinas térmicas à combustão exigem combustíveis, oxigénio, portanto estes projetos são limitados a aplicações próximas da terra, então entra em evidência as tecnologias baseadas na energia termonuclear e para isto, motores térmicos de alta eficiência, controláveis e que possam operar em largas faixas de temperatura, passam a ser as soluções mais viáveis dentro das fronteiras da ciência atualmente.
[030] O objetivo da invenção se concentra em eliminar alguns dos problemas existentes, minimizar outros problemas e oferecer novas possibilidades, para alcançar estes objetivos, um novo conceito de motores térmicos passou a ser indispensável e a criação de novos ciclos-motores são necessários 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 e ciclos diferenciais e ciclos binários, 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, demonstrados nas equações, os sistemas híbridos de ciclos diferenciais e de ciclos 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 binário composto por três processos politrópicos e quatro processos adiabáticos, operando com dois subsistemas, um de conversão de energia e outro de conservação de energia, a eficiência é demonstrada conforme apresentado na equação (c) e indicado pelo gráfico 21 3 da figura 2.
Λ n2 (Tc-Tf)
η = 1 .- '— (c) nl (Tq-Ta) '
[031 ] Na equação (c), (η) é o rendimento, ( 7qr) é a temperatura máxima do processo politropico de expansão e de alta temperatura, isto é, é a temperatura da própria fonte quente, ( 77) é a temperatura mínima do processo politropico de compressão e de baixa temperatura, é a temperatura da fonte fria, todas as temperaturas em "Kelvin", (n1) é o número de moles na câmara de aquecimento politropico compartilhada pelo subsistema de conversão de energia e pelo subsistema de conservação de energia, indicado pela região (ab) indicado em 21 3 na figura 2, (n2) é o número de moles do subsistema de conversão de energia, indicado pela região (cd) nos desenhos 21 e 21 3 da figura 2.
[032] A dependência de altas temperaturas da maioria dos motores do atual estado da técnica levam também à dependência de combustíveis com alto poder calorífico, dificultando o uso de fontes limpas as quais normalmente oferecem menor temperatura, O conceito de ciclo diferencial e ciclo binário sob o sistema híbrido, e fluido de trabalho cujos processos não obriguem a troca de estado físico, elimina esta obrigatoriedade da dependência de altas temperaturas, O conceito binário do sistema híbrido estabelece sempre um ciclo formado por dois subsistemas interdependentes, um deles de conversão e outro de conservação e todos os processos ocorrem simultaneamente, mostrados nos gráficos 10, 13 e 16 da figura 1 , 213 da figura 2 e 32 da figura 3, viabiliza máquinas que possam operar com baixas temperaturas e por consequência, as fontes limpas renováveis, como a termossolar, 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 e energias termonucleares para usos espaciais, eliminando a dependência de combustíveis e altos volumes dos reservatórios.
[033] Os principais ciclos termodinâmicos conhecidos, Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Brayton, Stirling, Ericsson, Rankine e o ciclo Carnot operam baseados em um único sistema termodinâmico e tem a massa do gás de trabalho constante, 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 binários do sistema híbrido executam dois ciclos interdependentes, por este motivo é chamado de binário e todos os seus processos ocorrem simultaneamente indicado em 10, 13, 16, 213 e 32 das figuras 1 , 2 e 3 respectivamente, 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 como ocorrem nos motores dos sistemas aberto e fechado.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
[034] Os motores turbina de ciclos binários são caracterizados por possuírem dois subsistemas, formando um sistema híbrido, complexo, representado por 21 na figura 2, cada subsistema executa um ciclo referenciado ao outro subsistema de modo a executarem sempre todos os seus processos simultâneos e interdependentes. De outra forma, considerando um sistema híbrido de ciclo binário com propriedades dos sistemas aberto e do fechado simultaneamente, diz-se que o sistema executa um ciclo termodinâmico composto, indicado por 213 e 32 das figuras 2 e 3, isto é, executa sempre todos os processos simultaneamente, inclusive com transferência de massa entre os subsistemas. Portanto trata-se de motores turbina e ciclos completamente distintos dos motores e ciclos baseados nos sistemas aberto ou fechado ou híbrido de ciclos diferenciais. Na figura 2 pode ser observada a correlação do modelo mecânico indicado em 21 e o gráfico do ciclo, indicado em 213.
[035] O conceito de ciclos binários do sistema termodinâmico híbrido é novo, é caracterizado por um sistema formado por dois subsistemas interdependentes e entre eles há troca de matéria e energia, e um deles fornece para fora de seus limites energia em forma de trabalho e parte da energia em forma de calor dissipada e o outro subsistema é de conservação de energia. Este sistema termodinâmico foi criado no século XXI e oferece novas possibilidades para o desenvolvimento de motores térmicos.
[036] 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 binário possa operar, a flexibilidade quanto às temperaturas, o motor de ciclo binário 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 binário 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 os motores de ciclos binários fundamentado no sistema híbrido é a sua controlabilidade em função da facilidade na modulação promovida pela existência de dois subsistemas cuja transferência de massa entre eles é controlada por meio de válvulas ou outros atuadores de forma a facilitar o controle de torque e rotação. Portanto as vantagens constatadas abrangem a flexibilidade das fontes, promovendo o uso de fontes limpas e renováveis, fonte termonuclear para usos espaciais, como as vantagens operacionais, podendo operar teoricamente em quaisquer faixas de temperatura, em ambientes com ou sem atmosfera e sua propriedade de controle da rotação e torque.
[037] Os motores turbina de ciclos binários baseados no conceito de sistema híbrido poderão ser construídos com materiais e técnicas semelhantes aos motores convencionais, por exemplo como os motores de ciclo Brayton, como se trata de um motor que trabalha com gás em circuito fechado, considerando o sistema completo, este conceito em circuito fechado de gás de trabalho com relação ao meio externo indica que o sistema deve ser vedado, ou em alguns casos, vazamentos podem ser admitidos, desde que compensados. Materiais adequados para esta tecnologia devem ser observados, são semelhantes, neste aspecto, às tecnologias de projetos de motores de ciclo Brayton de combustão externa. 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.
[038] As câmaras de conversão, itens que caracterizam o sistema híbrido, 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. Uma destas câmaras é aquecida pela fonte de energia, outra resfriada por um sistema de arrefecimento ou resfriamento e outra é isolada e estas devem ser projetadas observando a exigência de isolamento térmico entre si , para minimizar o fluxo direto de energia a partir das áreas quentes para as frias, esta condição é importante para a eficiência geral do sistema.
[039] A transferência de massa ocorre por meio de uma válvula 23, de um rotor de expansão 25 e de um rotor de compressão 27 e esta transferência ocorre sempre após a conversão de energia em trabalho útil no processo (a-b) mostrado na figura 2.
[040] O principal elemento de força motriz é o rotor de turbina indicado em 24 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.
DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[041 ] As figuras anexas demonstram as principais características e propriedades do novo conceito termodinâmico híbrido, mais especificamente sobre os motores turbina de ciclos binários, sendo representadas conforme segue abaixo:
A figura 1 mostra as diferenças entre três ciclo-motores binários do sistema híbrido, indicado em 10 se encontra as curvas que caracterizam o ciclo binário formado por três processos isotérmicos 1 1 , e quatro processos adiabáticos 12. Indicado em 13 se encontra as curvas que caracterizam o ciclo binário formado por três processos isobáricos 14, e quatro processos adiabáticos 15. Indicado em 16 se encontra as curvas que caracterizam o ciclo binário formado por três processos politropicos 17, e quatro processos adiabáticos 18 o qual conceitua o ciclo-motor deste invento;
A figura 2, indicado em 21 representa o modelo mecânico do motor turbina de ciclo binário de sete processos, três politropicos e quatro adiabáticos. Em 213 o ciclo binário faz menção das regiões do modelo mecânico onde os processos ocorrem; A figura 3, indicado em 31 , apresenta um modelo de conceito de motor turbina com uma demonstração realista aproximada, e em 32 o ciclo binário fazendo menção das regiões do modelo conceito mecânico onde os processos ocorrem;
A figura 4 apresenta o modelo de motor turbina com uma demonstração realista aproximada novamente, apontando com mais detalhes os seus elementos principais e os canais e câmaras onde ocorre o ciclo de conversão e o ciclo de conservação de energia;
A figura 5 representa, indicado em 51 , 52 e 53 três curvas do ciclo binário em diferentes condições entre os ciclos de conversão e de conservação, mostrando como ocorrem os diferenciais de potencias em função de maior ou menor transferência de massa entre os subsistemas;
A figura 6 apresenta um diagrama de um exemplo de utilização de um motor turbina de ciclo binário para a geração de energia;
A figura 7 mostra um diagrama de um exemplo de utilização de um motor turbina de ciclo binário para geração de energia a partir de uma bateria termonuclear, apontando possibilidades para projetos espaciais ou para aplicações em ambientes sem atmosfera que permita combustão;
DESCRIÇÃO DETALHADA DO INVENTO
[042] O motor de ciclo binário constituído por um subsistema de conversão de energia, um subsistema de conservação de energia, um processo politropico de aquecimento, um processo politropico de resfriamento, um processo politropico de compressão e isolado termicamente, dois processos de expansão adiabáticos e dois processos de compressão adiabáticos é fundamentado em um sistema termodinâmico híbrido por possuir dois subsistemas termodinâmicos interdependentes os quais cada um realiza um ciclo termodinâmico que interagem entre si, podendo trocar calor, trabalho e massa conforme é representado na figura 1 , indicado por 16 e na figura 2 indicado por 213. A entrada da energia é indicado por 21 1 no gráfico 213 da figura 2, a saída de energia, isto é, o resfriamento é indicado por 212, o trabalho útil é indicado pelos trajetos do ciclo de conversão (a-b-c-d-a) e a energia conservada é indicada pelos trajetos do ciclo de conservação (a-b-c'-d'- a).
[043] Na figura 2 é mostrado novamente o sistema termodinâmico híbrido e o ciclo termodinâmico binário não diferencial, em 21 é mostrado o modelo mecânico que representa um motor turbina de ciclo binário, uma câmara de aquecimento politrópica que é a entrada de energia, é mostrado em 22, processo este variável na intermediária entre um processo isobárico e um processo isotérmico, nesta câmara a massa de gás é aquecida pela fonte de energia em um processo politropico de alta temperatura, na faixa entre { Tá) e { Tb), sendo que { Tb) tende a se aproximar à temperatura da fonte quente { Tq), a pressão decresce neste processo durante a expansão do valor (Pa) para (Pb), o gás de trabalho ganha pressão para atuar nos rotores das turbinas de conversão 24 e de conservação 25, uma válvula de controle proporcional de três vias 23 é utilizada para direcionar a massa de gás desejada para o processo de conservação. O rotor de turbina do processo de conversão 24 conduz o gás de trabalho para a câmara de resfriamento 28, nesta câmara a massa de gás é resfriada em um processo politropico de baixa temperatura, na faixa entre { Tc) e {Td), sendo que { Td) tende a se aproximar à temperatura da fonte fria (Tf), a pressão cresce neste processo durante a compressão do valor (Pc) para (Pd), o rotor do compressor do processo de conversão 26 executa o processo de compressão de gás adiabaticamente de volta à câmara de aquecimento 22 e à temperatura quente. O rotor de turbina do processo de conservação 25 conduz a massa de gás de conservação para a câmara de compressão 29, isolada termicamente, nesta câmara a massa de gás é resfriada em um processo politropico de baixa temperatura, na faixa entre {Tc) e {Td , sendo que {Td) tende a se aproximar à temperatura fria (Tf), a pressão cresce neste processo durante a compressão do valor (Pc') para (Pd'), o rotor do compressor do processo de conservação 27 executa o processo de compressão da massa de gás e respectiva energia associada de conservação adiabaticamente de volta à câmara de aquecimento 22 e à alta temperatura. A entrada de energia é indicada por 21 1 , a dissipação de energia do gás, após o mesmo realizar trabalho, é indicada por 212. O trabalho útil é obtido no eixo 210. Portanto, a concepção básica do motor turbina de ciclo binário é definido por dois subsistemas termodinâmicos formados por quatro conjuntos de rotores, 24, 25, 26 e 27, dentre estes, dois conjuntos para o subsistema de conversão de energia, 24 e 26 e dois conjuntos para o subsistema de conservação de energia, 25 e 27, um subsistema de conversão de energia formado por uma câmara de aquecimento de expansão politropica 22, um rotor de turbina de expansão adiabática 24, um rotor do compressor de compressão adiabática 26, uma câmara de resfriamento de compressão politropica 28, um subsistema de conservação de energia formado por uma câmara de expansão politropica 22 em comum com o subsistema de conversão, um rotor de turbina de expansão adiabática 25, um rotor do compressor de compressão adiabática 27, uma câmara de compressão politropica isolada termicamente 29, uma válvula de controle proporcional de três vias 23, interligando a câmara de expansão politropica 22 aos rotores de turbina do subsistema de conversão de energia 24 e aos rotores de turbina do subsistema de conservação de energia 25, um eixo de força mecânica 210 acoplado aos rotores de turbina 24 e 25 e aos rotores do compressor 26 e 27 dos subsistemas de conversão e de conservação de energia configurando um motor turbina de ciclo binário não diferencial baseado em um sistema termodinâmico híbrido, com propriedades dos sistemas aberto e fechado simultaneamente, contendo gás de trabalho e estes dois subsistemas executam um ciclo binário, interdependente e todos os processos ocorrem simultaneamente, sendo três deles politrópicos, (a-b), (c-d) e (c'-d'), quatro adiabáticos, (b-c), (b-c'), (d-a) e (d'-a), com transferência de massa variável entre os subsistemas. [044] Existe condições necessárias para que o ciclo do motor de ciclo binário seja formado por processos politrópicos e adiabáticos, o primeiro está relacionado aos rotores dos compressores da unidade de conversão e conservação, estes devem ser projetados para levar o gás nos processos adiabáticos na pressão que corresponda, no processo, o retorno do mesmo à temperatura (Ta) inicial do trocador politrópico 22 e que o trocador de calor 22 seja projetado para que a troca de calor com o gás seja eficiente e evolutiva termicamente, isto é, as câmaras internas do trocador devem ser projetadas com características par proporcionar este efeito, permitindo evidentemente, diferenciais da pressão conforme ocorre o fluxo do gás de trabalho, ao contrario dos trocadores de calor das unidades isobáricas, estes por sua vez, para exemplificar, devem ser projetados para haver isonomia na pressão e ao contrário também aos tocadores de calor das unidades isotérmicas, estes devem ser projetados para haver uma isonomia na temperatura. O trocador politrópico, portanto, proporciona variabilidade na temperatura e também na pressão.
[045] Os processos politrópicos neste ciclo-motor possuem características intermediárias entre os processos isobáricos e isotérmicos e podem ser descritos pela expressão (d).
P. vk = cte (d)
[046] Os processos politrópicos deste ciclo são os processos por onde ocorrem o fluxo de entrada e saída de calor. Este processo pode variar de forma dinâmica com o funcionamento do motor turbina, girando de forma mais lenta poderá operar mais próximo ao processo isotérmico quando a constante (/ ) se aproximar de "um" (k→ 1), e girando mais rápido poderá operar mais próximo ao processo isobárico quando a constante (/ ) se aproximar de "zero" {k→ 0), e a curva da variação da pressão com o volume terá inclinação intermediária entre as curvas de um processo isotérmico e de um processo isobárico.
[047] Na figura 2, em 21 3 é mostrado o gráfico da pressão e deslocamento volumétrico demonstrando como ocorrem os processos que formam o ciclo binário não diferencial que ocorre no modelo mecânico do motor turbina 21 , todos os processos, também chamado de transformações termodinâmicas, ocorrem simultaneamente, o trajeto (a-b) mostra os processos politrópicos de expansão e alta temperatura do subsistema de conversão e do subsistema de conservação, porém neste trajeto, o processo de conservação não utiliza a energia da fonte, isto ocorre apenas no início operacional do motor turbina até que o mesmo atinja o diferencial de potencial, a partir deste instante a energia é conservada, isto é, a energia do processo (a-b) do ciclo de conservação é igual a energia do processo (c'-d') do processo de compressão do ciclo de conservação. O trajeto (b-c) representa o processo de expansão adiabático do subsistema de conversão, este processo tem energia igual ao processo (d-a) de compressão adiabático do subsistema de conversão. O trajeto (b-c') representa o processo de expansão adiabático do subsistema de conservação, este processo tem energia igual ao processo (d'-a) de compressão adiabático do subsistema de conservação. O trajeto (c-d) representa o processo de compressão politrópico de resfriamento ou dissipação do calor do subsistema de conversão de energia. O trajeto (c'-d') representa o processo isolado termicamente de compressão politropica do subsistema de conservação, esta energia não é dissipada, ela se mantém conservada para manter o potencial termodinâmico. Portanto, o motor turbina de ciclo binário apresentado opera por um processo composto por sete transformações termodinâmicas, também chamados de processos, que formam o ciclo binário do motor turbina 21 sendo um processo ou transformação de expansão politropica de aquecimento (a-b) de alta temperatura dos sistemas de conversão e de conservação de energia, sendo que a fração de gás (Δη) do subsistema de conservação somente recebe energia da fonte quente no início operacional do motor turbina, posteriormente, em funcionamento contínuo, esta fração de gás conserva a sua energia alternando entre calor e energia cinética prestando-se para manter os potenciais operacionais do motor, sem ser utilizado para produzir trabalho externo, um processo ou transformação adiabático de expansão do subsistema de conversão de energia (b-c), um processo ou transformação adiabático de expansão do subsistema de conservação de energia (b-c'), um processo ou transformação de compressão politropica de resfriamento (c-d) de baixa temperatura do subsistema de conversão de energia, um processo ou transformação de compressão politrópico (c'-d') do subsistema de conservação de energia, um processo ou transformação adiabático de compressão do subsistema de conversão de energia (d-a), um processo ou transformação adiabático de compressão do subsistema de conservação de energia (d' -a) e um processo de modulação ou chamado também de controle de transferência de massa de gás de trabalho e de conservação de energia através de uma válvula de três vias entre os subsistemas de conversão e conservação que ocorre juntamente com os processos de expansão adiabático de ambos os subsistemas.
[048] O subsistema de conservação possui algumas funções muito importantes, a mais importante é a definição dos potenciais em que o motor irá operar. Os motores térmicos operam entre dois potenciais, pois para produzir trabalho é necessário haver fluxo de massa, e o fluxo somente pode ocorrer quando houver uma diferença de potencial que gere um fluxo de massa a partir do maior potencial para o menor potencial, movimento, e por consequência, trabalho. Os motores térmicos projetados com base nos sistemas aberto ou fechado, possuem massa do gás de trabalho, constante, para gerar diferença de potencial é necessário também uma diferença de temperatura, quando a massa é constante, a diferença de potencial dependerá somente da temperatura, basta verificar através da equação da lei universal dos gases. A função mais importante do subsistema de conservação é gerar uma diferença também da massa de gás de trabalho entre as câmaras de aquecimento e resfriamento, desta forma a diferença de potencial dependerá, além da diferença de temperatura, também da diferença de massa, porém é importante que o projeto considere que o motor não poderá realizar todo o trabalho que a massa de gás e a diferença de temperatura permitam, parte deste trabalho não pode ser utilizado, ele deve ser conservado com a função de manter a diferença de potencial, isto é, de massa, esta energia não se perde, ela se conserva e promove maior eficiência do motor até o limite onde toda a massa é utilizada na conservação, neste caso a eficiência tenderá ao máximo, próximo a 100%, porem o trabalho tenderá ao mínimo, próximo a zero. Portanto o projeto de um motor deve seguir critérios entre eficiência e trabalho. O motor necessita de energia para gerar o diferencial de potencial, porém uma vez estabelecido, ele se manterá durante toda a operação do mesmo, por este motivo o motor deve ser projetado e seu processo controlado para que o mesmo não converta em trabalho útil a energia utilizada para manter o diferencial de potencial, se o fizer, a eficiência cairá.
[049] Na figura 3, indicado em 31 , apresenta um modelo de conceito de motor turbina com uma demonstração realista aproximada, na região entre os pontos (a) e (b) ocorre o processo politrópico de aquecimento, entre os pontos (b) e (c) ocorre o processo adiabático de expansão do subsistema de conversão de energia, entre os pontos (b) e (c') ocorre o processo adiabático de expansão do subsistema de conservação de energia, entre os pontos (c) e (d) ocorre o processo politrópico de resfriamento do gás de trabalho do subsistema de conversão de energia, entre os pontos (c') e (d') ocorre o processo politrópico de compressão do subsistema de conservação de energia, entre os pontos (d) e (a) ocorre o processo adiabático de compressão do subsistema de conversão de energia, entre os pontos (d') e (a) ocorre o processo adiabático de compressão do subsistema de conservação de energia.
[050] Na figura 3, indicado em 32, é apresentado o gráfico da pressão e deslocamento volumétrico do ciclo binário não diferencial que ocorre no modelo mecânico do motor turbina indicado em 31 , o trajeto (a-b) mostra o processo politrópico de alta temperatura do subsistema de conversão e do subsistema de conservação, porém neste trajeto, o processo de conservação não utiliza a energia da fonte, isto ocorre apenas no início operacional do motor até que o mesmo atinja o diferencial de potencial, a partir deste instante a energia é conservada, isto é, o processo (a-b) do ciclo de conservação é igual ao processo (c'-d') do processo de compressão. O trajeto (b-c) representa o processo de expansão adiabático do subsistema de conversão, este processo tem energia igual ao processo (d-a) de compressão adiabático do subsistema de conversão. O trajeto (b-c') representa o processo de expansão adiabático do subsistema de conservação, este processo tem energia igual ao processo (d'- a) de compressão adiabático do subsistema de conservação. O trajeto (c-d) representa o processo de compressão politrópico de resfriamento ou dissipação do calor do subsistema de conversão de energia. O trajeto (c'-d') representa o processo de compressão politrópico do subsistema de conservação, esta energia não é dissipada, ela se mantém conservada para manter o potencial termodinâmico.
[051 ] A figura 4, indicado em 41 , mostra o modelo conceito de motor turbina com uma demonstração realista com mais detalhes, na região 42 é mostrado os rotores do compressor do subsistema de conversão de energia, na região 43 é mostrado os rotores do compressor do subsistema de conservação de energia, a região 44 mostra a câmara do processo politrópico de aquecimento do gás de trabalho, a região 45 mostra a válvula de controle proporcional de três vias que possui a função de canalizar parte da massa de gás de trabalho para as turbinas do subsistema de conservação de energia, na região 46 é mostrado o rotor da turbina do subsistema de conservação de energia, na região 47 são mostrados os rotores da turbina do subsistema de conversão de energia, na região 48 é mostrada a câmara de compressão do processo politrópico de resfriamento do subsistema de conversão de energia, na região 41 1 é mostrada a câmara de compressão do processo de compressão e resfriamento politrópico do subsistema de conservação de energia, o fluxo da massa de gás de trabalho do subsistema de conversão de energia é indicado por 49, o fluxo da massa de gás do subsistema de conservação de energia é indicado por 410.
[052] A figura 5 mostra o ciclo binário em diferentes condições operacionais do motor turbina de ciclo binário, em 51 quase todo o gás de trabalho é utilizado no processo de conversão de energia no subsistema de conversão e uma pequena fração da massa de gás é utilizada no processo de conservação de energia, neste caso o gás de trabalho fica sujeito a um menor diferencial de potencial, embora quase todo o gás de trabalho participa do processo de conversão, a eficiência é menor, pois a eficiência é proporcional à diferença dos potenciais definidos por (Pa, Pb) e (Pc, Pd), em 52 uma fração maior do gás de trabalho é utilizado no processo de conservação de energia no subsistema de conservação, comparando-se com o gráfico indicado em 51 , e uma fração maior da massa de gás é utilizada no processo de conservação de energia, neste caso o gás de trabalho fica sujeito a um diferencial de potencial maior que o caso anterior, a eficiência aumenta, pois a eficiência é proporcional à diferença dos potenciais definidos por (Pa, Pb) e (Pc, Pd), no terceiro gráfico, indicado por 53, a massa de gás do processo de conservação é ainda maior, pode ser observado que neste caso o trabalho diminui, porém a eficiência aumenta em relação aos dois casos anteriores, mostrando que quanto mais massa de gás é utilizada no processo de conservação a eficiência aumenta, porém o trabalho diminui tendendo a aproximar-se a zero e o processo tende a se transformar em um processo adiabático contínuo, sem a realização de trabalho, onde o gás expande e se comprime e a energia ora se apresenta em forma de energia cinética mecânica e ora em calor no gás.
[053] A tabela 1 mostra os sete processos (a-b, b-c, b-c', c-d, c'-d', d-a, d'-a) que formam o ciclo binário não diferencial do motor turbina, mostrados passo a passo, com três processos politrópicos e quatro processos adiabáticos. Tabela 1
Figure imgf000027_0001
[054] A tabela 1 mostra todos os processos que formam o ciclo binário, porém todos os passos, 1 , 2, 3 e 4 ocorrem simultaneamente, diferente da maioria dos processos que formam os ciclos dos motores de ciclo diferenciais os quais ocorrem normalmente em pares e diferente dos ciclos dos motores baseados nos sistemas aberto e fechado os quais ocorrem normalmente um a um sequencialmente exceto quanto ao ciclo Brayton.
[055] A figura 6 mostra, exemplifica, um sistema simplificado de geração de energia elétrica, o motor turbina 61 está conectado a um motor de partida 62 e a um gerador de eletricidade 63.
[056] A figura 7 indicado por 71 mostra, exemplifica, como o motor turbina de ciclo binário pode ser aplicado para formar um sistema de geração de eletricidade a partir de uma fonte térmica 72 genérica, podendo esta ser de várias naturezas, termossolar, geotermal, termonuclear ou de várias outras origens, inclusive por meio de combustão ou trocadores térmicos em sistemas de cogeração. Um fluido térmico é aquecido pela fonte e conduzido ao sistema de aquecimento do motor turbina por meio de uma bomba 73. O fluxo do fluido térmico é indicado por 74. O fluido térmico pode ser qualquer fluido com capacidade de escoamento, bombeamento e que tenha propriedades para transportar o calor. Como se trata de um motor que opera basicamente com calor e em várias faixas de temperatura, o mesmo pode ser empregado para geração de energia ou força mecânica em ambientes sem atmosfera, por exemplo, no espaço ou submerso.
[057] Este ciclo binário não diferencial de um motor turbina composto por dois subsistemas, um subsistema de conversão, um subsistema de conservação, baseado no conceito de sistema híbrido, cuja curva da pressão e do volume é indicado por 21 3, na figura 2, possui sete processos, um processo politropico de alta temperatura de entrada de energia no sistema, (a-b), com (n ) mol de gás, representada pela expressão (e), um processo politropico de baixa temperatura e descarte de energia não utilizada (c-d), com (n2) mol de gás, representada pela expressão (f), um processo adiabático de expansão do subsistema de conversão, (b-c), representado pela expressão (g), um processo adiabático de expansão do subsistema de conservação, (b-c'), representado pela expressão (h), um processo politropico isolado termicamente de baixa temperatura, de conservação de energia, transformação de calor em trabalho, energia cinética, (c'-d'), com (Δη) mol de gás, um processo adiabático de compressão do subsistema de conversão, (d-a), representado pela expressão (i), um processo adiabático de compressão do subsistema de conservação, (d'- a), representado pela expressão (j). Considerando ainda que (Δη = nx - n2). As expressões consideram o sinal do sentido do fluxo das energias.
Figure imgf000028_0001
n2.R.(Td-Tc)
Q(c-d) (1-fc) (f) n2.R.(Tc-Tb)
w(fc_c) =
(y-i) (g)
_ An.R.(Tc,-W
W(b-c ~ ^
W(d-a) ~ (y_1} i1)
[058] O total de energia de entrada no motor turbina é representada pela expressão (k) abaixo.
Vi - (i-fc) W
[059] O total de energia descartada para o meio exterior é representada pela expressão (I) abaixo.
Figure imgf000029_0001
[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 (m) abaixo.
Figure imgf000029_0002
[061 ] Em ambos os subsistemas, os processos adiabáticos compensam-se entre si, a energia associada à massa, proporcional a {Ari) mol é conservada e é utilizada para manter a diferença de potencial, a energia associada a esta massa de gás não pode ser utilizada para produzir trabalho, caso contrário ela não se conserva e a eficiência cai.
[062] A demonstração final teórica da eficiência do ciclo binário não diferencial de sete processos, três processos politropicos do fluxo de entrada e saída de calor e quatro processos adiabáticos que se realizam todos simultaneamente é dada pela expressão (n), considerando que { Tq = Tb) e ( Tf = Td), caracterizando que os ciclos binários não diferenciais baseados no sistema termodinâmico híbrido 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.
^ o (n) nl (Tq-Ta) '
[063] Analisando a equação (n) e o gráfico 21 3 da figura 2 observa-se que se (Δη) tender para "zero", a massa do gás de trabalho será constante em todos os processos do ciclo termodinâmico da unidade de conversão de energia, não haverá massa de gás na unidade de conservação de energia e (n1 = n2) e a eficiência, em caso ideal, dependerá somente da temperatura como ocorre nos motores fundamentados nos sistemas aberto e fechado. Por outro lado, se (Δη) tender para o máximo, isto é (n2 = 0), a massa do gás de trabalho será constante em todos os processos do ciclo termodinâmico da unidade de conservação de energia, não haverá massa de gás na unidade de conversão de energia e a eficiência, em caso ideal, tenderá a 100%, porém o trabalho tenderá a zero, pois o ciclo se tornará um processo adiabático contínuo sem entrada de energia no sistema e sem saída de trabalho ou calor do sistema.
EXEMPLOS DE APLICAÇÕES
[064] Os motores turbina de ciclos binários não diferenciais baseados no sistema híbrido 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 estado físico do gás de trabalho. Pelas suas propriedades expostas nesta descrição, os motores turbina de ciclos binários não diferenciais podem ser projetados para operar em uma larga faixa de temperatura, superiores à maioria dos ciclos motores existentes baseados nos sistemas aberto ou fechado. Os motores turbina de ciclos binários não diferenciais são totalmente flexíveis quanto à fonte da energia (calor), nas figuras 6 e 7, são mostradas aplicações para o emprego destes motores para a geração de energia e para a geração de força mecânica a partir de fontes de várias origens, indicando sua aplicabilidade para geração de força mecânica ou geração de energia em ambientes com ou sem atmosfera, para projetos sustentáveis utilizando energia limpa e renovável, em projetos aeroespaciais e inclusive para projetos de ciclos combinados.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1 ) "MOTOR TURBINA DE CICLO BINÁRIO COMPOSTO POR TRÊS PROCESSOS POLITRÓPICOS, QUATRO PROCESSOS ADIABÁTICOS", caracterizado por ser composto por dois subsistemas termodinâmicos formados por quatro conjuntos de rotores, (24), (25), (26) e (27), dentre estes, dois conjuntos para o subsistema de conversão de energia, (24) e (26) e dois conjuntos para o subsistema de conservação de energia, (25) e (27), um subsistema de conversão de energia formado por uma câmara de aquecimento de expansão politrópico (22), processo este variável na intermediária entre um processo isobárico e um processo isotérmico em função de uma constante ( k ), um rotor de turbina de expansão adiabática (24), um rotor do compressor de compressão adiabática (26), uma câmara de resfriamento de compressão politropica (28), processo este variável na intermediária entre um processo isobárico e um processo isotérmico, um subsistema de conservação de energia formado por uma câmara de expansão politropica (22) em comum com o subsistema de conversão, um rotor de turbina de expansão adiabática (25), um rotor do compressor de compressão adiabática (27), uma câmara de compressão politropica isolada termicamente (29), processo este variável na intermediária entre um processo isobárico e um processo isotérmico, uma válvula de controle proporcional de três vias interligando a câmara de expansão politropica (22) aos rotores de turbina do subsistema de conversão de energia (24) e aos rotores de turbina do subsistema de conservação de energia (25), um eixo de força mecânica (210) acoplado aos rotores de turbina (24) e (25) e aos rotores do compressor (26) e (27) dos subsistemas de conversão e de conservação de energia configurando um motor turbina de ciclo binário não diferencial baseado em um sistema termodinâmico híbrido, com propriedades dos sistemas aberto e fechado simultaneamente, contendo gás de trabalho e estes dois subsistemas executam um ciclo binário, interdependentes e todos os processos ocorrem simultaneamente, sendo três deles politrópicos, (a-b), (c-d) e (c'-d'), quatro adiabáticos, (b-c), (b-c'), (d-a) e (d'-a), com transferência de massa variável entre os subsistemas.
2) "MOTOR TURBINA DE CICLO BINÁRIO COMPOSTO POR TRÊS PROCESSOS POLITRÓPICOS, QUATRO PROCESSOS ADIABÁTICOS", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser composto por dois subsistemas termodinâmicos formados por quatro conjuntos de rotores, (24), (25), (26) e (27), dentre estes, dois conjuntos para o subsistema de conversão de energia, (24) e (26) e dois conjuntos para o subsistema de conservação de energia, (25) e (27).
3) "MOTOR TURBINA DE CICLO BINÁRIO COMPOSTO POR TRÊS PROCESSOS POLITRÓPICOS, QUATRO PROCESSOS ADIABÁTICOS", de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por ser composto por um conjunto rotor de turbina de expansão adiabática (24) pertencente ao subsistema de conversão de energia.
4) "MOTOR TURBINA DE CICLO BINÁRIO COMPOSTO POR TRÊS PROCESSOS POLITRÓPICOS, QUATRO PROCESSOS ADIABÁTICOS", de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por ser composto por um conjunto rotor de turbina de expansão adiabática (25) pertencente ao subsistema de conservação de energia.
5) "MOTOR TURBINA DE CICLO BINÁRIO COMPOSTO POR TRÊS PROCESSOS POLITRÓPICOS, QUATRO PROCESSOS ADIABÁTICOS", de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por ser composto por um conjunto rotor do compressor de compressão adiabática (26) pertencente ao subsistema de conversão de energia.
6) "MOTOR TURBINA DE CICLO BINÁRIO COMPOSTO POR TRÊS PROCESSOS POLITRÓPICOS, QUATRO PROCESSOS ADIABÁTICOS", de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por ser composto por um conjunto rotor do compressor de compressão adiabática (27) pertencente ao subsistema de conservação de energia.
7) "MOTOR TURBINA DE CICLO BINÁRIO COMPOSTO POR TRÊS PROCESSOS POLITRÓPICOS, QUATRO PROCESSOS ADIABÁTICOS", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser composto por uma câmara de expansão politropica que é a entrada de energia, é mostrado em (22), processo este variável na intermediária entre um processo isobárico e um processo isotérmico compartilhada pelos subsistemas de conversão e de conservação.
8) "MOTOR TURBINA DE CICLO BINÁRIO COMPOSTO POR TRÊS PROCESSOS POLITRÓPICOS, QUATRO PROCESSOS ADIABÁTICOS", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser composto por uma câmara de resfriamento e compressão politropica (28) pertencente ao subsistema de conversão de energia.
9) "MOTOR TURBINA DE CICLO BINÁRIO COMPOSTO POR TRÊS PROCESSOS POLITRÓPICOS, QUATRO PROCESSOS ADIABÁTICOS", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser composto por uma câmara de compressão politropica (29), isolada termicamente, pertencente ao subsistema de conservação de energia.
10) "MOTOR TURBINA DE CICLO BINÁRIO COMPOSTO POR TRÊS PROCESSOS POLITRÓPICOS, QUATRO PROCESSOS", de acordo com as reivindicações 1 , 2, 3, 4, e 7, caracterizado por ser composto por uma válvula de controle proporcional de três vias (23) interligando a câmara de expansão politropica (22) aos conjuntos de rotores de turbina do subsistema de conversão (24) e aos rotores de turbina do subsistema de conservação de energia (25).
1 1 ) "MOTOR TURBINA DE CICLO BINÁRIO COMPOSTO POR TRÊS PROCESSOS POLITRÓPICOS, QUATRO PROCESSOS ADIABÁTICOS", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser composto por um eixo de força mecânica (21 0) acoplado aos rotores de turbina e aos rotores do compressor dos subsistemas de conversão e de conservação.
1 2) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TURBINA", caracterizado por um processo composto por sete transformações termodinâmicas, também chamados de processos, que formam o ciclo binário do motor turbina (21 ) sendo um processo ou transformação de expansão politrópica de aquecimento (a-b) de alta temperatura dos sistemas de conversão e de conservação de energia, sendo que a fração de gás (Δη) do subsistema de conservação somente recebe energia da fonte quente no início operacional do motor turbina, posteriormente, em funcionamento contínuo, esta fração de gás conserva a sua energia alternando entre calor e energia cinética prestando-se para manter os potenciais operacionais do motor, sem ser utilizado para produzir trabalho externo, um processo ou transformação adiabático de expansão do subsistema de conversão de energia (b-c), um processo ou transformação adiabático de expansão do subsistema de conservação de energia (b-c'), um processo ou transformação de compressão politrópica de resfriamento (c-d) de baixa temperatura do subsistema de conversão de energia, um processo ou transformação de compressão politrópica (c'-d') do subsistema de conservação de energia, um processo ou transformação adiabático de compressão do subsistema de conversão de energia (d-a), um processo ou transformação adiabático de compressão do subsistema de conservação de energia (d'-a) e um processo de modulação ou chamado também de controle de transferência de massa de gás de trabalho e de conservação de energia através de uma válvula de controle proporcional de três vias entre os subsistemas de conversão e conservação que ocorre juntamente com os processos de expansão adiabático de ambos os subsistemas.
1 3) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TURBINA ", de acordo com a reivindicação 1 2, caracterizado por um processo ou transformação de expansão politropica de aquecimento (a-b) de alta temperatura dos sistemas de conversão e de conservação de energia, sendo que a fração de gás (Δη) do subsistema de conservação somente recebe energia da fonte quente no início operacional do motor turbina, posteriormente, em funcionamento contínuo, esta fração de gás conserva a sua energia alternando entre calor e energia cinética prestando-se para manter os potenciais operacionais do motor, sem ser utilizado para produzir trabalho externo.
14) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TURBINA", de acordo com a reivindicação 1 2, caracterizado por um processo ou transformação adiabático de expansão do subsistema de conversão de energia (b-c).
1 5) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TURBINA", de acordo com a reivindicação 1 2, caracterizado por um processo ou transformação adiabático de expansão do subsistema de conservação de energia (b-c').
1 6) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TURBINA", de acordo com a reivindicação 1 2, caracterizado por um processo ou transformação de compressão politropica de resfriamento (c-d) de baixa temperatura do subsistema de conversão de energia.
1 7) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TURBINA", de acordo com a reivindicação 1 2, caracterizado por um processo ou transformação de compressão politropica (c'-d') do subsistema de conservação de energia.
1 8) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TURBINA", de acordo com a reivindicação 1 2, caracterizado por um processo ou transformação adiabático de compressão do subsistema de conversão de energia (d-a).
19) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TURBINA", de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por um processo ou transformação adiabático de compressão do subsistema de conservação de energia (d'-a).
20) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TURBINA", de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por um processo de modulação, controle de transferência de massa de gás de trabalho e de conservação de energia por uma válvula de três vias entre os subsistemas de conversão e conservação que ocorre juntamente com os processos de expansão adiabático de ambos os subsistemas.
PCT/BR2018/050122 2017-04-25 2018-04-24 Motor turbina de ciclo binário composto por três processos politrópicos, quatro processos adiabáticos e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor turbina WO2018195626A1 (pt)

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