Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
COMBINED BRAYTON AND BINARY ISOBARIC-ADIABATIC CYCLE TURBINE ENGINE AND PROCESS FOR CONTROLLING THE THERMODYNAMIC CYCLE OF THE COMBINED CYCLE TURBINE ENGINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/195627
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to a turbine-type combined cycle heat engine comprised of a unit that operates on the Brayton cycle and is interconnected and integrated with another unit that operates on a binary cycle of three isobaric processes and four adiabatic processes.

Inventors:
IOCKHECK, Marno (Rua Abobora, 471 - Uberaba, CEP- Curitiba, 81-550280, BR)
FINCO, Saulo (Rua Pedro Viera da silva, 595 Ap. 43A, -570 Campinas, 13080-570, BR)
MOURA, Luis Mauro (Rua Urbano Lopes, 366 Ap. 901, -520 Curitiba, 80050-520, BR)
Application Number:
BR2018/050123
Publication Date:
November 01, 2018
Filing Date:
April 24, 2018
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
ASSOCIAÇÃO PARANAENSE DE CULTURA - APC (Rua Imaculada Conceição, 1155 - Prado Velho, -901 Curitiba, 80215-901, BR)
International Classes:
F01K23/10; F01D1/00; F01D15/10; F01K23/02; F02B41/00; F02G5/02
Foreign References:
US4204401A1980-05-27
CN104533621A2015-04-22
JPH09144560A1997-06-03
EP1830052A12007-09-05
CN206036990U2017-03-22
CN203783657U2014-08-20
Attorney, Agent or Firm:
BRASIL SUL MARCAS E PATENTES LTDA- EPP (Rua Fernandes de Barros, 1570 - Hugo Lange, -450 Curitiba, 80040-450, BR)
Download PDF:
Claims:
REIVINDICAÇÕES

1 ) "MOTOR TURBINA DE CICLO COMBINADO BRAYTON E BINÁRIO- ISOBÁRICO-ADIABÁTICO", caracterizado por ser constituído pela integração de dois ciclos termodinâmicos formando um sistema combinado, sendo um deles fundamentado no sistema termodinâmico aberto e outro fundamentado no sistema termodinâmico híbrido de forma que uma das unidades, de ciclo Brayton é alimentada pela fonte primária de energia (315) e compreende um motor de ciclo Brayton (320) e a outra unidade é alimentada pela energia de exaustão da primeira e compreende um motor de ciclo binário de três processos isobáricos e quatro processos adiabáticos (319), tendo a exaustão, energia descartada da unidade do ciclo Brayton, acoplada termicamente à entrada de energia da unidade do ciclo binário por meio de um trocador de calor (32), com a exaustão, energia descartada da alimentação da unidade de ciclo binário, da saída do trocador de calor (32), acoplada termicamente por meio de outro trocador de calor (31 1 ), transferindo parte da energia para o ar pressurizado pelo rotor de compressão (314) da unidade de ciclo Brayton, com a função de recuperar parte do calor descartado e ambos os sistemas interconectados mecanicamente pelo mesmo eixo de força (310) ou interconectados de forma indireta tendo as conversões de ambas, somadas para um mesmo fim.

2) "MOTOR TURBINA DE CICLO COMBINADO BRAYTON E BINÁRIO- ISOBÁRICO-ADIABÁTICO", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser constituído pela integração de dois ciclos termodinâmicos formando um sistema combinado, sendo um deles fundamentado no sistema termodinâmico aberto e outro fundamentado no sistema termodinâmico híbrido, sendo uma das unidades de ciclo Brayton (320) e a outra unidade de ciclo binário de três processos isobáricos e quatro processos adiabáticos (319).

3) "MOTOR TURBINA DE CICLO COMBINADO BRAYTON E BINÁRIO- ISOBÁRICO-ADIABÁTICO", de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por ser constituído pela integração de dois ciclos termodinâmicos, sendo um deles, de ciclo Brayton (320) alimentada pela fonte primária de energia (315) e a outra unidade de ciclo binário (319) é alimentada pela energia de exaustão da primeira, tendo a exaustão, energia descartada da unidade do ciclo Brayton, acoplada termicamente à entrada de energia da unidade do ciclo binário por meio de um trocador de calor (32).

4) "MOTOR TURBINA DE CICLO COMBINADO BRAYTON E BINÁRIO- ISOBÁRICO-ADIABÁTICO", de acordo com as reivindicações 1 , 2, e 3, caracterizado por um acoplamento térmico (32), chamado de trocador de calor, com a função de canalizar a energia de exaustão do ciclo Brayton (320) para a entrada de energia da unidade de ciclo binário (319).

5) "MOTOR TURBINA DE CICLO COMBINADO BRAYTON E BINÁRIO- ISOBÁRICO-ADIABÁTICO", de acordo com as reivindicações 1 , 3, e 4, caracterizado por um acoplamento térmico (31 1 ), chamado de trocador de calor, com a função de recuperar parte da energia de exaustão de saída do acoplamento térmico (32), transferindo esta energia para o ar vindo da saída do rotor do compressor (314) do sistema formado pelo ciclo Brayton, com a função de recuperar parte do calor descartado.

6) "MOTOR TURBINA DE CICLO COMBINADO BRAYTON E BINÁRIO- ISOBÁRICO-ADIABÁTICO", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por um eixo comum de força motriz que integra as conversões de energia das unidades de ciclo Brayton e ciclo binário-isobárico-adiabático que formam o ciclo combinado.

7) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TURBINA DE CICLO COMBINADO", caracterizado por um processo composto pela combinação de dois ciclos, um Brayton e outro binário- isobárico-adiabático, onde o primeiro ciclo, o ciclo Brayton é formado por quatro processos, ou também chamado de transformações termodinâmicas, sendo dois processos isobáricos e dois processos adiabáticos (41 ), que ocorrem todos simultaneamente, e é formado na seguinte sequencia, um processo isobárico de expansão (1 -2) e de entrada de energia (42), um processo adiabático de expansão (2-3), um processo isobárico de compressão (3-4) e de descarte de energia, calor (43), e um processo adiabático de compressão (4-1 ), e onde o segundo ciclo, o ciclo binário-isobárico-adiabático é formado por sete processos, ou também chamado de transformações termodinâmicas, sendo três processos isobáricos e quatro processos adiabáticos (44), que ocorrem todos simultaneamente, e possui a seguinte formação, um processo ou transformação de expansão isobárica 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 binário, 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 isobárica de resfriamento (c-d) de baixa temperatura do subsistema de conversão de energia, um processo ou transformação de compressão isobárico 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 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 do ciclo binário, sendo que o processo isobárico de compressão do ciclo Brayton (3-4) corresponde à fonte de energia, calor, (43), que flui para o processo de expansão isobárica de aquecimento (a-b) do ciclo binário.

8) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TURBINA DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por um processo onde a entrada de energia, (42), do sistema que forma o ciclo combinado corresponde a uma transformação ou processo isobárico de expansão (1 -2) da unidade de ciclo Brayton.

9) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TURBINA DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por um processo onde o acoplamento termodinâmico entre a unidade de ciclo Brayton e a unidade de ciclo binário-isobárico-adiabático ocorre pela transferência de calor, (43), do processo isobárico de compressão da unidade de ciclo Brayton (3-4) para o processo isobárico de expansão da unidade de ciclo binário-isobárico-adiabático (a-b).

10) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TURBINA DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por um processo onde o descarte da energia não convertida, (45), do sistema que forma o ciclo combinado corresponde a uma transformação ou processo isobárico de compressão (c-d) da unidade de ciclo binário-isobárico-adiabático.

Description:
"MOTOR TURBINA DE CICLO COMBINADO BRAYTON E BINÁRIO- ISOBÁRICO-ADIABÁTICO E PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TURBINA DE CICLO COMBINADO"

CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO

[001 ] Refere-se a presente invenção a um motor térmico tipo turbina de ciclo combinado formado por uma unidade operando com o ciclo Brayton interligado e integrado à outra unidade operando com o ciclo binário de três processos isobáricos e quatro processos adiabáticos.

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 sistemas termodinâmicos 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 e 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 ocorre no sistema aberto.

[006] 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 de ciclo combinado conhecidos até o presente foram inventados e projetados unindo-se no mesmo sistema dois conceitos de motores idealizados no século XIX, fundamentados em sistemas termodinâmicos aberto ou sistemas termodinâmicos fechado, os mais conhecidos são os ciclos combinados de um motor de ciclo Brayton com um motor de ciclo Rankine e o ciclo combinado de um motor de ciclo Diesel com um motor de ciclo Rankine. [008] O conceito básico de um ciclo combinado é um sistema composto por um motor operante por meio de uma fonte de temperatura alta de forma que o rejeito de calor deste motor é a energia que move um segundo motor que requeira uma temperatura mais baixa de operação, ambos formando um sistema combinado de conversão de energia térmica em energia mecânica para um mesmo fim comum.

[009] O estado atual da técnica revela ciclos combinados formado por um motor principal de ciclo Brayton que funciona com uma fonte principal com temperatura superior a 1000 °C e com gases de exaustão na faixa entre 600 °C e 700 °C e estes gases por sua vez são canalizados para alimentar outro motor de ciclo Rankine, geralmente "Rankine orgânico" (ORC). O ciclo Rankine convencional tem como fluido de trabalho a água, o ciclo Rankine orgânico utiliza fluidos orgânicos, estes são mais adequados para projetos em temperaturas menores que os projetos com o ciclo Rankine convencional, portanto normalmente são utilizados nos ciclos combinados.

[010] Algumas das principais desvantagens dos ciclos combinados atuais, considerando a segunda máquina um motor de ciclo Rankine ou Rankine orgânico são a troca do estado físico do fluido de trabalho, isto é, há uma fase líquida exigida pelos processos do ciclo termodinâmico que deve ser controlada, e a energia do aquecimento da fase líquida e da fase latente de troca de estado não podem ser convertidas em energia útil de trabalho, são perdas impostas pelo conceito Rankine. Este sistema exige itens do motor que implicam em mais processos, mais peso, mais controle e mais perdas, são necessários reservatórios do líquido, reservatório para geração de vapor, trocador do tipo resfriador para condensação, reservatório para condensação, bomba para vazão do fluido no estado líquido, válvulas de controle dos processos de estado líquido e gasoso. Este conjunto de particularidades implicam em peso adicional, volume adicional, perdas térmicas adicionais, redução da eficiência global e por consequência, índices de poluição maiores, custos de implementação maiores e menores índices de sustentabilidade nestes projetos.

[01 1 ] O estado atual da técnica, a partir de 201 1 , revelou um novo conceito de sistema termodinâmico, o chamado sistema termodinâmico híbrido, e este novo conceito de sistema passou a ser a base de sustentação para novos ciclos motores, os motores de ciclos diferenciais e os motores de ciclos binários não diferenciais de forma que estes novos ciclos motores possuem vantagens significativas para a criação de novos ciclos combinados. Podem ser exemplificados ciclos combinados de um motor de ciclo Brayton com um motor de ciclo diferencial, motor de ciclo Brayton com um motor de ciclo binário, motor de ciclo Diesel com um motor de ciclo diferencial, motor de ciclo Diesel com um motor de ciclo binário, motor de ciclo Otto com um motor de ciclo diferencial, motor de ciclo Otto com um motor de ciclo binário e algumas outras variações.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[012] Os grandes problemas do estado da técnica, especificamente quanto aos ciclos combinados se encontram justamente na segunda unidade que formam os sistemas, este, geralmente é uma máquina de ciclo Rankine, uma máquina antiga, cujos processos termodinâmicos impõe perdas através da necessidade de troca do estado físico do fluido de trabalho, do calor de aquecimento da fase líquida, do calor de transformação, calor latente, das unidades mecânicas, reservatórios, sistemas de válvulas, condensadores, bombas que agregam peso, volume, perdas e custos.

[013] 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 ficasse mais dependentes exclusivamente das temperaturas. O conceito de sistema híbrido e ciclos diferenciais e ciclos binários, característica própria que fundamenta este novo conceito de ciclo combinado, elimina a dependência da eficiência de forma exclusiva à temperatura. A eliminação da necessidade da troca do estado físico dos fluidos de trabalho passa a ser representativo para reduzir volume, peso e custos das máquinas. Portanto o ciclo combinado formado por uma unidade de ciclo Brayton com uma unidade de ciclo binário-isobárico-adiabático constitui uma evolução importante, viável para o futuro dos sistemas formados por ciclos combinados.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[014] Os motores de ciclos combinados são caracterizados por possuírem duas unidades termodinâmicas distintas integradas formando um sistema de forma que a energia descartada pela unidade principal é a fonte de energia da unidade secundária e ambos possuem uma integração do trabalho mecânico final.

[015] O conceito presente considera uma unidade termodinâmica formada por um motor turbina de ciclo Brayton 320, o qual executa um ciclo Brayton de quatro processos e um motor turbina de ciclo binário-isobárico-adiabático 319, o qual executa um ciclo de três processos isobáricos e quatro processos adiabáticos, e de forma que a energia de entrada, normalmente por combustão executa um processo isobárico de expansão na unidade de ciclo Brayton, um processo de resfriamento também isobárico o qual cede energia para o processo isobárico de expansão da unidade de ciclo binário, este por sua vez executa um processo de resfriamento isobárico cedendo para o ambiente a energia que o sistema em conjunto não tenha convertido em trabalho e de forma que ambos os ciclos tenham uma conversão em trabalho final comum. Portanto trata-se de motores turbina de ciclos combinados completamente distintos dos motores e ciclos combinados atuais, os quais são baseados única e exclusivamente nos sistemas aberto ou fechado. Na figura 3 é mostrado o conceito geral do invento e na figura 4 é mostrada a integração de ambos os ciclos termodinâmicos formando o ciclo combinado.

[016] A presente invenção trás evoluções importantes para a conversão de energia térmica em mecânica pelo conceito da combinação de dois ciclos termodinâmicos distintos. A imensa maioria de ciclos combinados tem como máquina secundária um motor turbina a vapor de ciclo Rankine ou Rankine orgânico. A figura 1 mostra que o ciclo Rankine possui perdas próprias do conceito dos processos que forma seu ciclo, não permitindo que uma parcela significativa de energia seja convertida em trabalho. O ciclo Rankine e Rankine orgânico exigem troca da fase física do gás de trabalho, isto é, há uma fase do processo em estado líquido exigindo elementos de condensação, evaporação e sistemas de bombas auxiliares, e todos estes elementos e processos impõe perdas e impossibilidades de utilizar as energias destas fases na conversão. Algumas das principais vantagens do invento ciclo combinado Brayton com binário-isobárico-adiabático que podem ser constatadas são a inexistência de elementos de troca de fase física do fluido de trabalho e suas perdas associadas, a inexistência de elementos de condensação e de vaporização, portanto a inexistência também de perdas associadas ao calor latente do fluido de trabalho, a inexistência de circuitos, bombas, elementos de controle destinados aos processos de troca de fase física do fluido e suas perdas associadas e que por consequência a inexistência do volume, materiais, massa e peso dos elementos que compõe tais projetos. Portanto, a inovação apresentada pelo ciclo combinado Brayton com binário é expressiva.

[017] Os motores turbina de ciclos combinados baseados na integração de um motor de ciclo Brayton com um motor de ciclo binário poderão ser construídos com materiais e técnicas semelhantes aos motores de ciclos combinados convencionais, como a unidade secundária de ciclo binário consiste 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.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[018] As figuras anexas demonstram as principais características e propriedades do novo conceito de ciclo combinado, mais especificamente a um sistema formado por uma unidade de ciclo Brayton com uma unidade de ciclo binário-isobárico-adiabático, sendo representadas conforme segue abaixo:

A figura 1 demonstra em diagrama de blocos um sistema de ciclo combinado atual, formado por uma unidade de ciclo Brayton com uma unidade de ciclo Rankine. Plantas projetadas com esta filosofia na atualidade são utilizadas para geração de eletricidade e a eficiência destes sistemas de ciclo combinado da atualidade situa-se na faixa de 50% a 60%, índices estes, publicados em diversos meios de comunicação.

A figura 2 demonstra em diagrama de blocos, um sistema de ciclo combinado idealizado com base no novo conceito de sistema termodinâmico, formado por uma unidade de ciclo Brayton conhecida, com uma unidade de ciclo binário-isobárico-adiabático. Teoricamente, plantas projetadas com esta filosofia para geração de eletricidade terá eficiência superior a 60%, baseado na análise teórica do ciclo da segunda máquina que forma o sistema, entre as perdas que deixam de existir, a inexistência de troca do estado físico do fluido de trabalho é item significativo, o processo de conservação de energia propiciado pelo subsistema de conservação pertencente ao ciclo binário, reforça as possibilidades do incremento da eficiência geral.

A figura 3, indicado em 31 , apresenta o diagrama de um sistema composto por uma unidade de ciclo Brayton 320, com uma unidade de ciclo binário-isobárico-adiabático 319, formando o ciclo combinado Brayton e binário 31 .

A figura 4 mostra respectivamente as curvas do gráfico da pressão e deslocamento volumétrico do ciclo Brayton 41 , e as curvas do gráfico da pressão e deslocamento volumétrico do ciclo binário-isobárico-adiabático 44.

A figura 5 mostra um modelo mecânico de motor turbina do ciclo Brayton 51 , com seu respectivo ciclo termodinâmico 52, um modelo mecânico de motor turbina do ciclo binário-isobárico-adiabático 53, com seu respectivo ciclo termodinâmico 54, que forma um sistema de ciclo combinado.

A figura 6 mostra com maiores detalhes um modelo de motor turbina do ciclo Brayton 61 , com as suas principais partes, e um modelo de motor turbina do ciclo binário-isobárico-adiabático 62, com suas principais partes.

A figura 7 mostra o diagrama de uma planta de geração de energia com seus principais elementos.

A figura 8 mostra um exemplo de aplicação de um sistema formado por dois ciclos, formando em conjunto um ciclo combinado para um mesmo fim.

DESCRIÇÃO DETALHADA DO INVENTO

[019] O motor de ciclo combinado é um sistema composto por um conceito de motor baseado no sistema termodinâmico aberto, o ciclo Brayton, idealizado no século XIX, com um motor baseado no sistema termodinâmico híbrido, o ciclo binário-isobárico-adiabático não diferencial, idealizado no século XXI, de forma que a energia descartada pelo primeiro, o motor de ciclo Brayton, é a energia que move o segundo, o motor de ciclo binário.

[020] Na figura 3 é mostrado o sistema que forma o motor de ciclo combinado, o mesmo é constituído pela integração de dois motores, cada um com seu ciclo termodinâmico, sendo um deles fundamentado no sistema termodinâmico aberto e outro fundamentado no sistema termodinâmico híbrido de forma que uma das unidades, de ciclo Brayton é alimentada pela fonte primária de energia 315 e compreende um motor de ciclo Brayton 320 e a outra unidade é alimentada pela energia de exaustão da primeira e compreende um motor de ciclo binário de três processos isobáricos e quatro processos adiabáticos 319, tendo a exaustão, energia descartada da unidade do ciclo Brayton, acoplada termicamente à entrada de energia da unidade do ciclo binário por meio de um trocador de calor 32, com a exaustão, energia descartada da alimentação da unidade de ciclo binário, da saída do trocador de calor 32, acoplada termicamente por meio de outro trocador de calor 31 1 , transferindo parte da energia para o ar pressurizado pelo rotor de compressão 314 da unidade de ciclo Brayton, com a função de recuperar parte do calor descartado e ambos os sistemas interconectados mecanicamente pelo mesmo eixo de força 310 ou interconectados de forma indireta tendo as conversões de ambas, somadas para um mesmo fim.

[021 ] Na figura 4, são mostrados os gráficos da pressão e deslocamento volumétrico que na união deles formam o ciclo combinado, um processo composto pela combinação de dois ciclos, um Brayton e outro binário- isobárico-adiabático, onde o primeiro ciclo, o ciclo Brayton é formado por quatro processos, ou também chamado de transformações termodinâmicas, sendo dois processos isobáricos e dois processos adiabáticos 41 , que ocorrem todos simultaneamente, e é formado na seguinte sequencia, um processo isobárico de expansão (1 -2) e de entrada de energia 42, um processo adiabático de expansão (2-3), um processo isobárico de compressão (3-4) e de descarte de energia, calor 43, e um processo adiabático de compressão (4-1 ), e onde o segundo ciclo, o ciclo binário-isobárico-adiabático é formado por sete processos, ou também chamado de transformações termodinâmicas, sendo três processos isobáricos e quatro processos adiabáticos 44, que ocorrem todos simultaneamente, e possui a seguinte formação, um processo ou transformação de expansão isobárica 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 binário, 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 isobárica de resfriamento (c-d) de baixa temperatura do subsistema de conversão de energia, um processo ou transformação de compressão isobárico 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 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 do ciclo binário, sendo que o processo isobárico de compressão do ciclo Brayton (3-4) corresponde à fonte de energia, calor, 43, que flui para o processo de expansão isobárica de aquecimento (a-b) do ciclo binário.

[022] A tabela 1 mostra os quatro processos (1 -2, 2-3, 3-4, 4-1 ) que formam o ciclo Brayton, mostrados passo a passo, com dois processos isobáricos e dois processos adiabáticos.

Tabela 1

[023] A tabela 2 mostra os sete processos (a-b, b-c, b-c', c-d, c'-d', d-a, d'-a) que formam o ciclo binário-isobárico-adiabático não diferencial, mostrados passo a passo, com três processos isobáricos e quatro processos adiabáticos.

Tabela 2

Subsistema de Subsistema de

Passo Processo

conversão conservação

Isobárico de Isobárico de Energia provinda do

1 a-b

expansão expansão descarte do ciclo Brayton Adiabático de Adiabático de

2 b-c / b-c'

expansão expansão

Isobárico de Isobárico de c-d descarte

3 c-d / c'-d'

compressão compressão c'-d' conservada

Adiabático de Adiabático de

4 d-a / d'-a

compressão compressão

A figura 5 mostra um modelo mecânico de motor turbina do ciclo Brayton, 51 , indicando a entrada da câmara de combustão (1 ), a saída da câmara de combustão (2), a saída das turbinas (3) e a entrada do ar na entrada do compressor, (4) e seu respectivo ciclo termodinâmico, 52, um circuito que transporta o calor da exaustão do motor turbina de ciclo Brayton para a câmara de aquecimento e do processo isobárico do motor turbina de ciclo binário 53 indicando as câmaras onde se realizam os processos do ciclo binário e o gráfico do ciclo binário 54.

A figura 6 mostra com maiores detalhes um modelo de motor turbina do ciclo Brayton, 61 , com as suas principais partes, o conjunto de rotores que formam o compressor 63, a câmara de combustão 64, o conjunto de rotores que formam a turbina 65 e a câmara de exaustão com o trocador de calor que é a origem da energia do motor turbina de ciclo binário 66. A mesma figura mostra um modelo de motor turbina do ciclo binário-isobárico-adiabático, 62, com suas principais partes, o conjunto de rotores que formam o compressor da unidade de conversão de energia 67, o conjunto de rotores que formam o compressor da unidade de conservação de energia 68, a câmara onde se realiza o processo isobárico de aquecimento 69, o conjunto de válvulas de controle de três vias 610, o conjunto de rotores que formam a turbina do sistema de conservação de energia 61 1 , o conjunto de rotores que formam a turbina do sistema de conversão de energia 612 e a câmara onde se realiza o processo isobárico de resfriamento 61 3.

A figura 7 mostra o diagrama contendo os elementos essenciais de uma planta de geração de energia de ciclo combinado Brayton e binário, a entrada de energia, calor, 71 , pela câmara de combustão da unidade de ciclo Brayton, o resfriamento da unidade de ciclo binário 72 que ocorre na câmara de compressão isobárica de resfriamento, a exaustão dos gases da combustão 73, o gerador de eletricidade 74, o motor de partida 75 e a entrada de ar 76 para a câmara de combustão.

A figura 8 sugere um projeto de um sistema de propulsão por meio de um ciclo combinado Brayton 81 com binário 82, mostrando a câmara de combustão da unidade Brayton 83, a câmara de exaustão 84 com o trocador de calor para a unidade binário, a câmara de resfriamento da unidade binário 85 e os elementos de propulsão 86.

[024] O ciclo combinado Brayton com binário-isobárico-adiabático é a junção de um ciclo chamado Brayton de quatro processos que se realizam todos simultaneamente com um ciclo binário-isobárico-adiabático de sete processos os quais também se realizam todos simultaneamente e este sistema possui a entrada de energia geralmente por combustão do ciclo Brayton, um processo isobárico (1 -2) de expansão e aquecimento representado pela expressão (a).

[025] Na equação (a), (Q ; ) representa a energia total de entrada no sistema, geralmente por combustão, em "Joule", (n) representa o número de mol pertencendo à unidade ciclo Brayton, { R) representa a constante universal dos gases perfeitos, { T q ) representa a temperatura máxima do gás em "Kelvin" no ponto (2) do processo, figura 4, indicado por 42, ( 7 ~ r) representa a temperatura no ponto (1 ), inicial do processo isobárico, figura 4, e (y) representa o coeficiente de expansão adiabática.

[026] O descarte da energia não convertida em trabalho pela máquina principal, o ciclo Brayton, é a energia de entrada da máquina secundária, de ciclo binário e a expressão da energia descartada é representada pela expressão (b).

[027] A energia de entrada da máquina secundária, de ciclo binário é representado pela expressão (c).

Qw = ^ - (T b - T a ) (c)

[028] A energia de saída da máquina de ciclo Brayton é igual à energia de entrada da máquina de ciclo binário, { Q 0 b = Q*)-

[029] O descarte da energia não convertida em trabalho pela máquina secundária, de ciclo binário, é representada pela expressão (d). Esta, no conceito ideal, é o total de energia descartada ao meio, a qual não realiza trabalho útil.

[030] O trabalho útil total do sistema ciclo combinado, considerando um modelo ideal sem perdas, é a diferença entre a entrada e a saída da energia e é representado pela expressão (e) abaixo. wu = ^ y (T q - T 1 - ¾¾- ε - 7» (e)

[031 ] A demonstração final teórica da eficiência do ciclo combinado Brayton e binário-isobárico-adiabático é dada pela expressão (f), caracterizando que os ciclos combinados de uma máquina fundamentada no sistema aberto ou fechado com uma máquina fundamentada no sistema híbrido possuem como parâmetro da eficiência, também o número de moles ou massa, característica herdada da máquina fundamentada no sistema híbrido, e portanto, não possuem suas eficiências dependentes exclusivamente das temperaturas.

L n {T q - ;

EXEMPLOS DE APLICAÇÕES

[032] Os motores turbina de ciclos combinados pela integração de uma unidade de ciclo Brayton com um motor fundamentado no sistema híbrido, por exemplo um motor turbina de ciclo binário-isobárico-adiabático possuem inúmeras aplicações, a mais evidente seria para gerar energia, mostrado pela figura 7, pois tem como benefício direto a sua capacidade de converter maior quantidade de energia em trabalho, em se comparando com os ciclos combinados convencionais, pelas razões descritas anteriormente. Porém em função de outros atributos, menor massa, volume, comparando com as versões convencionais, este conceito viabiliza o desenvolvimento de sistemas de propulsão ou de tração, como sugerido na figura 8.