CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO

[001] Refere-se a presente invenção a um motor térmico e seu ciclo termodinâmico de oito processos, mais especificamente, trata-se de uma máquina térmica caracterizada por dois subsistemas termodinâmicos interligados, cada um opera um ciclo termodinâmico de quatro processos, porém interdependentes entre si, formando um ciclo complexo de oito processos, opera com gás, o circuito deste sistema híbrido é fechado em configuração diferencial, baseado no conceito de sistema termodinâmico híbrido, este sistema realiza um ciclo termodinâmico composto por oito processos de forma que o mesmo executa em qualquer momento do ciclo, dois processos simultâneos e interdependentes, complementares, sendo quatro destes processos "isobáricos" e quatro "politrópicos" com transferência de massa variável, podendo esta ser nula ou parcial.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] A termodinâmica clássica define três conceitos de sistemas termodinâmicos, o sistema termodinâmico aberto, o sistema termodinâmico fechado e o sistema termodinâmico isolado. Estes três conceitos de sistemas termodinâmicos foram conceituados no século XIX nos primórdios da criação das 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 desenvoivimento 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 cicio Otto, de cicio Atkinson, semelhante ao ciclo Otto, de ciclo Diesel, de ciclo Sabathe, semelhante ao ciclo Diesel, de ciclo Bra ton 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 Camot. A energia que entra neste sistema é o calor. As energias que saem deste sistema é a energia mecânica de trabalho e parte do calor dissipado, porém não sai matéria destes sistemas, como ocorrem no sistema aberto.

[006] Ambos os sistemas, aberto e fechado, como entrada eles possuem no tempo (t1) a temperatura (Tq), a massa (m1) e o número de mol (n1) e na saída, no tempo (t2), ambos possuem a temperatura (Tf), a massa (m1) e o número de mol (n1), a massa é constante, a diferença entre ambos é que no sistema aberto a massa (m1) atravessa o sistema e no sistema fechado, a massa (m1) permanece no sistema, conforme a figura 1. O ESTADO ATUAL DA TÉCNICA

[007] Os motores conhecidos até o presente são fundamentados em sistemas termodinâmicos aberto ou sistemas termodinâmicos fechado, eles possuem seus ciclos termodinâmicos compostos por uma série de processos sequenciais e independentes, e ocorre um único processo por vez até que o cicio se complete, como pode ser observado no gráfico pressão/volume na figura 2. Assim são os motores de ciclo Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Rankine, Stirling, Ericsson e o ciclo teórico ideal de Carnot e o ciclo Brayton também pertence aos sistemas ou aberto ou fechado, porém diferente dos demais, seus quatro processos ocorrem todos simultaneamente.

[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)

[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 "Kelvir e (γ) representa o coeficiente de expansão adiabática.

[010] Como ocorre sempre um único processo por vez na maioria dos 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 (/?) 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.

[011] 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 eletrícidade a motores de corrente contínua, estes, para aumentar a potência, aumenta-se a tensão de alimentação do motor.

[012] O atual estado da técnica compreende uma série de motores de combustão interna e de combustão externa, a maioria destes motores exigem um segundo motor auxiliar para leva-los a partir, ao funcionamento. Os motores de combustão interna exigem a compressão, mistura de combustível com o oxigénio e uma centelha ou combustão por pressão, desta forma um motor auxiliar de partida, normalmente elétrico, é utilizado. Os motores de combustão externa, como o de ciclo Stirling ou Ericsson por sua vez também exigem motores auxiliares e de alta potência, pois eles precisam vencer o estado de repouso sob pressão para entrar em operação. Uma exceção é o motor de ciclo Rankine, este pode partir através do comando de válvulas para fornecer a pressão do vapor aos elementos de força motriz.

[013] O atual estado da técnica compreende uma série de motores, a maioria deles, dependentes de condições muito específicas e especiais para operar, por exemplo, os motores de combustão interna, cada um deles exige seu combustível específico, controle fino de combustível, oxigénio e o tempo da combustão e em alguns casos exigem condições específicas inclusive de pressão, a flexibilidade no combustível é bem limitada. Nesta categoria, dos motores fundamentados nos sistemas aberto e fechado, o motor mais flexível é o de ciclo Rankine, de combustão externa ou o Stiriing, também de combustão externa, estes são mais flexíveis quanto a fonte, mas possuem outras deficiências importantes.

[014] 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.

[015] O estado atual da técnica compreende uma série de ciclo motores, a maioria exige altas temperaturas para operação, os de combustão interna especialmente, costumam operar com o gás de trabalho em temperatura superiores a 1000 °C. Os motores de combustão externa ou operante por fontes de calor externas, como de ciclo Rankine e Stiriing, 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).

[016] Na equação (b), ( ) é o rendimento, {Tf) é a temperatura da fonte fria e (Tq) é a temperatura da fonte quente, ambas em "Kelvin".

[017] O estado atual da técnica, baseado nos sistemas aberto e fechado, compreende basicamente seis ciclos motores e algumas versões destes: o ciclo Otto, de ciclo Atkinson, semelhante ao ciclo Otto, de ciclo Diesel, de ciclo Sabathe, semelhante ao ciclo Diesel, de ciclo Brayton, de ciclo Rankine, de ciclo Stiriing, de ciclo Ericsson e o de ciclo Carnot, referência teórica ideal para os motores fundamentados nos sistema aberto e fechado. As últimas novidades do estado atual da técnica, vem sendo apresentadas através de inovações juntando-se mais de um ciclo antigo formando ciclos combinados, isto é: novos sistemas de motores compostos por uma máquina de cicio 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.

[018] 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, 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 prqjetados 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).

[019] 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 cicio 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.

[020] Os demais motores, de ciclo Stirling e Ericsson, são motores sob o conceito de sistema fechado, são de combustão externa ou fonte de calor externo. Em função de suas propriedades, embora tenham os conceitos mais simples de motores, são difíceis de serem construídos. Exigem parâmetros de projetos casados, isto é, funcionam bem, com boa eficiência, apenas em seu regime específico de operação, temperatura, pressão, carga, fora do ponto central de operação suas eficiências caem bruscamente, ou não operam. Portanto são máquinas muito pouco utilizadas para uso industrial ou popular.

[021] O motor ideal de Carnot, figura 3, por sua vez, embora seja considerado o motor ideal, mais perfeito até o presente, ele o é na teoria e dentro dos conceitos de sistema aberto e fechado considerando todos os parâmetros ideais, por este motivo é a referência até hoje para todos os conceitos de motores existentes. O motor de Carnot não é encontrado no uso prático porque os materiais reais não possuem as propriedades exigidas para tornar o motor de Carnot uma realidade, as dimensões físicas para que o ciclo de Carnot possa ser executado como na teoria, seriam inviáveis em um caso prático, portanto ele é um Motor ideal nos conceitos de sistema aberto e sistema fechado, porém no conceito teórico.

[022] O controle de potencia, rotação e torque, dos motores existentes, de ciclo Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Brayton, estes de combustão interna, são decorrentes diretamente da alimentação de combustíveis e oxigénio e como resultado oferecem maior rotação e torque simultaneamente. Para haver separação entre o torque e a rotação, eles exigem caixas de velocidade. Estas máquinas não permitem controlabilidade, ou no mínimo, oferecem dificuldades na controlabilidade através de seus ciclos termodinâmicos.

[023] O controle de potência, rotação e torque, dos motores existentes de ciclo Rankine, este de combustão externa, são decorrentes da vazão e da pressão do vapor ou gás de trabalho, e como resultado oferecem variações interdependentes de rotação e torque simultaneamente, não há controlabilidade separada entre torque e rotação.

[024] O controle de potência, rotação e torque, dos motores existentes de ciclo 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.

[025] O estado atual da técnica, recentemente revelou algumas referências que já se encontram com conceitos semelhantes do sistema híbrido, são motores que apresentam características de possuírem dois ciclos termodinâmicos interdependentes constituindo um ciclo complexo formado por oito processos, sempre com dois processos operando simultaneamente em um sistema formado por dois subsistemas integrados. A patente "PI 1000624-9" registrada no Brasil definida como "Conversor de energia termomecânico" é constituído por dois subsistemas que opera por meio de um ciclo termodinâmico formado por quatro processos isotérmicos e quatro processos isocóricos, sem regeneração. A patente "PCT/BR2013/000222" registrada nos Estados Unidos da América definida como "Máquina térmica que opera em conformidade com o ciclo termodinâmico de Carnot e processo de controle" a qual é constituída por dois subsistemas e opera em cada subsistema, um ciclo termodinâmico formado por dois processos isotérmicos de dois processos adiabáticos. A patente "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 e opera um ciclo termodinâmico formado por quatro processos isotérmicos de quatro processos adiabáticos. Estas referencias diferem da presente invenção quanto aos processos termodinâmicos que formam seus ciclos, cada ciclo oferece ao motor características próprias. O conceito de sistema termodinâmico híbrido oferece a base para o desenvolvimento de uma nova família de motores térmicos, cada motor terá características próprias conforme os processos e fases que constituem os seus respectivos ciclos termodinâmicos, como por exemplo, o motor Otto e o motor Diesel são motores fundamentados no sistema termodinâmico aberto de combustão interna, porém constituem motores distintos e o que os distingue são detalhes de seus ciclos termodinâmicos, o ciclo do motor Otto é constituído basicamente por um processo adiabático de compressão, um processo isocórico de combustão, um processo adiabático de expansão e um isocórico de exaustão e o ciclo do motor Diesel é constituído por um processo adiabático de compressão, um processo isobárico de combustão, um processo adiabático de expansão e um processo isocórico de exaustão, portanto eles diferem em apenas um dos processos que formam seus ciclos, o suficiente para conferir a cada um, propriedades e usos específicos e diferentes. Da mesma forma, o conceito de sistema híbrido oferece a base para uma nova família de motores térmicos constituídos por dois subsistemas e estes irão operar com ciclos ditos diferenciais formados por processos onde sempre ocorrerão dois processos simultâneos, cada um terá particularidades próprias às quais caracterizarão cada um dos ciclos-motores.

OBJETTVOS DA INVENÇÃO

[026] 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 peio 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, alta dependência do ar (oxigénio) para combustão e muitos deles dependem de um segundo motor para leva-los à operação (um motor de partida).

[027] O objetivo da invenção se concentra em eliminar alguns dos problemas existentes e minimizar outros problemas, porém o maior objetivo foi em desenvolver novos ciclos-motores baseados em um novo conceito de sistema termodinâmico de forma que a eficiência dos motores não ficasse 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, característica própria que fundamenta esta invenção, elimina a dependência da eficiência de forma exclusiva à temperatura, a eficiência de qualquer máquina térmica depende dos seus potenciais e de seus diferenciais de potenciais, enquanto que os sistemas aberto e fechado geram potenciais onde a massa do gás é constante e por este motivo elas se cancelam nas equações, nos sistemas híbridos 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 diferencial composto por quatro processos isobáricos, quatro processos politrópicos regenerativos, a eficiência é demonstrada conforme apresentado na equação (c) e figura 4.

[028] Na equação (c), ( ) é o rendimento, (T1) é a temperatura iniciai do processo isobárico de aita temperatura, (72) é a temperatura finai do processo isobárico de aita, esta temperatura tende a se equaiizar com a temperatura da fonte quente (Tq), (T3) é a temperatura inicial do processo isobárico de baixa temperatura, (74) é a temperatura finai do processo isobárico de baixa temperatura, esta temperatura tende a se equaiizar com a temperatura da fonte fria (7r), todas as temperaturas em "Kelvin ^* , (n1) é o número de moles do subsistema 1 , indicado pela região (21 ) da figura 4, (n2) é o número de moles do subsistema 2, indicado pela região (23) da figura 4.

[029] 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 sob o sistema híbrido, e fluido de trabalho cujos processos não obriguem a troca de fase física, elimina esta obrigatoriedade da dependência de altas temperaturas, O conceito diferencial onde o ciclo opera sempre dois processos por vez, (26) e (27) da figura 5, simultaneamente e interdependentes, viabiliza máquinas que possam operar com baixas temperaturas e por consequência, as fontes limpas renováveis, como a 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.

[030] Os principais ciclos termodinâmicos conhecidos, Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Stirling, Ericsson, Rankine e o ciclo Carnot executam um único processo por vez sequencialmente, conforme mostrado na figura 2, referenciado ao ciclo mecânico dos elementos de força motriz, seu controle é uma função direta da alimentação da fonte de energia, por sua vez, os ciclos diferenciais do sistema híbrido, executam dois processos por vez, figura 5, viabilizando o controle do ciclo termodinâmico separado do ciclo mecânico, o ciclo pode ser modulado e desta forma o ciclo mecânico passa a ser uma consequência do ciclo termodinâmico e não mais o contrário.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[031] Os motores de ciclos diferenciais são caracterizados por possuírem dois subsistemas, formando um sistema híbrido, representado por (21) e (23) da figura 4, cada subsistema executa um ciclo referenciado ao outro subsistema de modo a executarem sempre dois processos simultâneos e interdependentes. De outra forma, considerando um sistema híbrido com propriedades dos sistemas aberto e do fechado simultaneamente, diz-se que o sistema executa um ciclo termodinâmico composto, figura 5, isto é, executa sempre dois processos por vez simultâneos (26) e (27) da figura 5, interdependentes, inclusive com transferência de massa. Portanto trata-se de motores e ciclos completamente distintos dos motores e ciclos baseados nos sistemas aberto ou fechado. Na figura 6 pode ser observada a relação entre o sistema híbrido e o ciclo termodinâmico diferencial.

[032] O conceito de sistema termodinâmico híbrido é novo, é formado por dois subsistemas interdependentes e entre eles há troca de matéria e energia e ambos fornecem para fora de seus limites, energia em forma de trabalho e parte da energia em forma de calor dissipada. Este sistema termodinâmico foi criado no século XXI e oferece novas possibilidades para o desenvolvimento de motores térmicos.

[033] A presente invenção trás evoluções importantes para a conversão de energia térmica em mecânica seja esta para uso em geração de energia ou outro uso, como força mecânica para movimentação e tração. Algumas das principais vantagens que podem ser constatadas são: a total flexibilidade quanto à fonte da energia (calor), a independência de atmosfera, não necessita de atmosfera para que um motor do ciclo diferencial possa operar, a flexibilidade quanto às temperaturas, o motor de ciclo diferencial pode ser projetado para funcionar em uma faixa muito extensa de temperatura, bem superior à maioria dos motores fundamentados nos sistemas aberto e fechado, inclusive, um motor de ciclo diferencial pode ser projetado para funcionar com ambas as temperaturas abaixo de zero grau Celsius, basta que as condições de projeto promovam a expansão e contração do gás de trabalho e basta que os materiais escolhidos para a sua construção tenham as propriedades para executar as suas funções operacionais nas temperaturas de projeto. Outras vantagens importantes que distinguem o motor de ciclo diferencial fundamentado no sistema híbrido é a sua controlabilidade em função da facilidade na modulação dos processos termodinâmicos e em projetos de motores que dispensam o uso de motores de partida, ou no mínimo, estes seriam de pequeno porte, em função da facilidade de gerar um torque por meio do diferencial de forças propiciado pelo sistema formado por duas subcâmaras de conversão, isto é, dois subsistemas. Portanto as vantagens constatadas abrangem a flexibilidade das fontes, promovendo o uso de fontes limpas e renováveis como as vantagens operacionais, podendo operar teoricamente em quaisquer faixas de temperatura e sua propriedade de controle da rotação e torque.

[034] O motor de ciclo diferencial baseado no conceito de sistema híbrido poderá ser construído com materiais e técnicas semelhantes aos motores convencionais e motores de ciclo Stirling, como se trata de um motor que trabalha com gás em circuito fechado, considerando o sistema completo, isto é, o sistema completo é formado por dois subsistemas termodinâmicos integrados, (31) e (37), configurando um sistema termodinâmico híbrido, cada subsistema é formado por uma câmara, (33) e (35), contendo gás de trabalho e cada uma destas, são formadas por três subcâmaras, uma aquecida (33) com (317), e (35) com (42), uma resfriada (33) com (41 ), e (35) com (318), e outra isolada, (33) com (32) e (35) com (36), ou em alguns casos, esta inexistente, conectado a estas duas câmaras há um elemento de força motriz (312), cada subsistema possui um regenerador, (310) e (314), podendo ser ativo ou passivo, entre os subsistemas há um elemento de transferencia de massa, (34), portanto os subsistemas são abertos entre si, entre o sistema completo e o meio externo é considerado fechado, estes dois subsistemas executam simultaneamente cada um deles um ciclo de quatro processos interdependentes formando um ciclo termodinâmico diferencial, (82), único, de oito processos, sendo quatro deles isobáricos, (a-b), (1-2), (c-d) e (3-4), quatro politrópicos, (b-c), (2-3), (d-a) e (4-1 ), com transferência de massa variável. Este conceito em circuito fechado de gás de trabalho com relação ao meio externo indica que o sistema deve ser vedado, ou em alguns casos, vazamentos podem ser admitidos, desde que compensados. Materiais adequados para esta tecnologia devem ser observados, são semelhantes, neste aspecto, às tecnologias de projetos de motores de ciclo Stirling. O gás de trabalho depende do projeto, de sua aplicação e dos parâmetros utilizados, o gás poderá ser vários, cada um proporcionará particularidades específicas, como exemplo pode ser sugerido os gases: hélio, hidrogénio, nitrogénio, ar seco, neon, entre outros.

[035] As câmaras de conversão, itens que caracterizam o sistema híbrido, poderão ser construídas com diversos materiais, dependendo das temperaturas de projeto, do gás de trabalho utilizado, das pressões envolvidas, do ambiente e condições de operação. Estas câmaras possuem cada uma, três subcâmaras e estas devem ser projetadas observando a exigência de isolamento térmico entre si para minimizar o fluxo de energia a partir das áreas quentes para as frias, esta condição é importante para a eficiência geral do sistema. Estas câmaras possuem internamente elementos que movimentam o gás de trabalho entre as subcâmaras quente, fria, e isoladas quando esta existir, estes elementos podem ser de diversas formas geométricas, depende da exigência e dos parâmetros do projeto, poderá, por exemplo, ser em forma de discos, em forma cilíndrica ou outra que permita a movimentação do gás de trabalho de forma controlada entre as subcâmaras.

[036] O elemento de transferencia de massa, (34), interliga as duas câmaras, (33) e (35), este elemento é o responsável pela transferência de parte da massa de gás de trabalho entre as câmaras que ocorre em momento específico durante os processos politrópicos. Este elemento poderá ser projetado de várias formas dependendo das exigências do projeto, poderá operar pela simples diferença de pressão, isto é em forma de válvula, ou poderá operar de modo forçado, por exemplo, em forma de turbina, em forma de pistões ou em outra forma geométrica que lhe permita executar a transferência de massa de parte do gás de trabalho.

[037] Os regeneradores ativos, (310) e (314), operam com um gás de trabalho específico e este gás armazena a energia do gás do motor durante os processos politrópicos de abaixamento de temperatura através da expansão interna e regenera, isto é, devolve esta energia para o gás do motor durante os processos politrópicos de elevação da temperatura através da compressão. Este regenerador é chamado de regenerador ativo por realizar o seu processo de regeneração dinamicamente através de elementos mecânicos móveis e de um gás de trabalho próprio, diferentemente dos regeneradores conhecidos, passivos, os quais operam através de troca térmica entre o gás e um elemento estático, operante por condução de calor entre o gás o seu corpo. No caso em que for considerado no projeto o uso de regenerador passivo, este geralmente opera com troca de calor por condução entre o gás de trabalho e os elementos que formam o regenerador. Os regeneradores passivos não utilizam gás e elementos móveis.

[038] O elemento de força motriz, (312), é o responsável por executar o trabalho mecânico e disponibilizá-lo para usos. Este elemento de força motriz opera pelas forças do gás de trabalho do motor, este elemento poderá ser projetado de várias formas, dependendo das exigências de projeto, poderá, por exemplo, ser em forma de turbina, em forma de pistões com cilindro, bielas, virabrequins, em forma de diafragma ou em outra forma que permita a realização de trabalho a partir das forças do gás durante as conversões termodinâmicas.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[039] As figuras anexas demonstram as principais características e propriedades dos conceitos antigos das máquinas térmicas e as inovações propostas baseadas no sistema híbrido, nas quais estão representadas:

A figura 1 representa o conceito de sistema termodinâmico aberto e o conceito de sistema termodinâmico fechado;

A figura 2 representa a característica de todos os ciclos termodinâmicos fundamentados nos sistemas aberto e fechado;

A figura 3 mostra a ideia original da máquina térmica de Carnot, conceituada em 1824 por Nicolas Sadi Carnot;

A figura 4 representa o conceito de sistema termodinâmico híbrido;

A figura 5 representa a característica dos ciclos termodinâmicos diferenciais fundamentados no sistema híbrido;

A figura 6 mostra o sistema termodinâmico híbrido e um ciclo termodinâmico diferencial e o detalhe dos dois processos termodinâmicos que ocorrem simultaneamente;

A figura 7 mostra o modelo mecânico constituído pelos dois subsistemas termodinâmicos que formam um motor térmico sob o conceito de sistema híbrido e seu regenerador ativo;

A figura 8 mostra o motor indicando a fase em que um dos regeneradores, elemento (310), equaliza a sua temperatura à temperatura da fonte quente;

A figura 9 mostra o motor indicando a fase em que o segundo regenerador, elemento (314), equaliza a sua temperatura à temperatura da fonte quente;

A figura 10 mostra um dos subsistemas, grupo (31 ), realizando o processo isobárico de alta temperatura do ciclo termodinâmico e o segundo subsistema, grupo (37), realizando o processo isobárico de baixa temperatura do ciclo termodinâmico;

A figura 11 mostra um dos subsistemas, grupo (31 ), realizando o processo politrópico de abaixamento da temperatura, do ciclo termodinâmico e o segundo subsistema, grupo (37), realizando o processo politrópico de levantamento da temperatura do ciclo termodinâmico;

A figura 12, mostra por sua vez, o primeiro subsistema, grupo (31), realizando o seu processo isobárico de baixa temperatura do ciclo termodinâmico e o segundo subsistema, grupo (37), realizando o processo isobárico de alta temperatura do ciclo termodinâmico;

A figura 13 mostra primeiro subsistema, grupo (31 ), realizando o processo politrópico de levantamento da temperatura, do ciclo termodinâmico e o segundo subsistema, grupo (37), realizando o processo politrópico de abaixamento da temperatura do ciclo termodinâmico;

A figura 14 mostra o ciclo termodinâmico ideal do regenerador ativo;

A figura 15 mostra o detalhe do ciclo termodinâmico de um dos subsistemas e o ciclo termodinâmico no processo de transferência de calor para o seu respectivo regenerador ativo;

A figura 16 mostra o detalhe do ciclo termodinâmico de um dos subsistemas e o ciclo termodinâmico no processo de regeneração do calor por parte de seu respectivo regenerador ativo;

A figura 17 mostra o ciclo termodinâmico diferencial ideal composto por dois processos isobáricos de alta temperatura, dois processos isobáricos de baixa temperatura dois processos politrópicos de abaixamento de temperatura, transferencia de calor, dois processos politrópicos de elevação de temperatura, regeneração de calor, e os processos termodinâmicos do regenerador ativo;

A figura 18 mostra um exemplo de aplicação do motor para uma planta geradora de eletricidade tendo como fonte primária a energia geotermal;

A figura 19 mostra um exemplo de aplicação do motor para uma planta geradora de eletricidade tendo como fonte primária a energia termossolar;

A figura 20 mostra um exemplo de aplicação do motor de ciclo diferencial para um projeto de um sistema combinado, formando um ciclo combinado com um motor de combustão interna do sistema aberto.

DESCRIÇÃO DETALHADA DO INVENTO

[040] O motor de ciclo diferencial constituído por dois processos isobáricos de alta temperatura, dois processos isobáricos de baixa temperatura, dois processos politrópicos de transferência de calor, dois processos politrópicos de regeneração de calor com regenerador ativo ou passivo 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 4. Em (22), da figura 4, é mostrado o sistema híbrido composto por dois subsistemas indicados por (21 ) e (23).

[041] Na figura 6 é mostrado novamente o sistema termodinâmico híbrido e o ciclo termodinâmico diferencial, detalhando, neste caso os processos, que quando em um dos subsistemas, no tempo (t1 ) o ciclo opera com massa (m1 ), número de mo! (n1 ) e temperatura (Tq), neste mesmo instante, simultaneamente, no outro subsistema, o cicio opera com massa (m2), número de mol (n2), temperatura (Tf). Em uma máquina baseada em um sistema híbrido composto por dois subsistemas, a soma da massa de gás de trabalho é sempre constante (m1 + m2 = cte), porém não necessariamente são constantes nos seus respectivos subsistemas, entre eles pode haver troca de massa.

[042] Na figura 7 é mostrado o modelo de motor baseado no sistema híbrido contendo dois subsistemas indicado por (31) e (37). Cada subsistema possui sua câmara de conversão termomecânica, (33) e (35), um elemento de força motriz, (312), um regenerador ativo, (310) e (314), seus eixos de transmissão, respectivamente, (38), (39), (311) e (313), (315), (316). Fazendo conexão entre os subsistemas para os processos de transferência de massa, há um elemento de transferência de massa (34).

[043] Na figura 8 e na figura 9, é mostrado o processo responsável por gerar o estado inicial de operação dos regeneradores, (310) e (314). No estado inicial de operação, os regeneradores são, ambos, levados à equalizar-se com a temperatura da fonte quente (Tq). Na figura 8, enquanto um dos subsistemas, (31 ), realiza seu processo isobárico de alta temperatura, seu respectivo regenerador é pressurizado por força mecânica através das transmissões, (38), (39) e (311 ), equalizando-se com a temperatura do gás de trabalho do subsistema (31 ) em (Tq), mostrado no gráfico da figura 14 no trajeto indicado em (71 ). Na figura 9, enquanto o segundo subsistema, (37), realiza seu processo isobárico de alta temperatura, seu respectivo regenerador é pressurizado por força mecânica através das transmissões, (316), (315) e (313), equalizando-se com a temperatura do gás de trabalho do subsistema (37) em (Tq), mostrado também no gráfico da figura 14 no trajeto indicado em (71 ).

[044] As figuras 10, 11 , 12 e 13 mostram como ocorrem mecanicamente os oito processos, quatro isobáricos e quatro politrópicos com transferência de massa e com regeneração do calor. Na figura 10, o subsistema (31 ) expõe o gás de trabalho à fonte quente, na temperatura (Tq), indicado em (317), este subsistema executa o processo isobárico de alta temperatura e simultaneamente o subsistema indicado por (37) expõe o gás de trabalho à fonte fria, na temperatura (Tf), indicado em (318), e neste instante, simultaneamente, este subsistema executa o processo isobárico de baixa temperatura. Estes processos se alternam ente os subsistemas, conforme mostrado na figura 12. Após finalização dos processos isobáricos, na figura 11 e 13 são mostrados como os subsistemas processam os seus respectivos processos politrópicos com ou sem transferencia de massa e com regeneração, após o subsistema (31) finalizar seu processo isobárico de alta temperatura, o gás é exposto a uma região isolada termicamente, indicado por (32), o gás, inicialmente na temperatura quente (Tq), cede calor para o regenerador (310) o qual parte do estado quente, expande o gás interno até retirar o calor do gás de trabalho e seu próprio, até atingir uma temperatura fria (Tf) através da expansão do gás, transferindo a energia para seu eixo em forma de energia cinética mecânica, simultaneamente, parte do gás de trabalho do subsistema (31 ), com pressão maior, é transferido para o subsistema (37) em pressão menor através do elemento de transferência de massa indicado em (34), conclui-se assim o processo politrópico de abaixamento da temperatura do subsistema (31 ), simultaneamente, o subsistema (37) recebe parte da massa de gás de trabalho do subsistema (31 ), e ocorre também, simultaneamente a regeneração do calor do regenerador (314), levando o gás da temperatura fria (Tf) para uma temperatura mais quente na qual inicia-se o processo isobárico de alta temperatura através da pressurização do gás interno do regenerador pela energia mecânica nos eixos obtida no processo de expansão, finalizando o processo politrópico de regeneração. E o subsistema (37) passa a ter massa maior que o subsistema (31 ). Porém nos processos politrópicos, os elementos de força motriz também executam compressões e expansões e existe um compartilhamento no processo de calor e energia entre o gás como o regenerador e com os elementos de força motriz simultaneamente.

[045] O processo politrópico neste ciclo-motor possui características intermediárias entre os processos isocóricos e adiabáticos e pode ser descrito pela expressão (d).

[046] No limite onde o processo politrópico ganha características isocórícas, e no limite onde o processo politrópico ganha características isentrópicas ou adiabáticas, portanto, em projetos na prática, o parâmetro (k) será maior que (y), o coeficiente de expansão adiabático, e a inclinação da curva da variação da pressão com o volume estará entre a inclinação do processo isocórico e a inclinação do processo adiabático.

[047] O gráfico da figura 14 esclarece como o regenerador ativo funciona, a curva indicada por (71 ) mostra o processo inicial para condicionar a operacionalidade do regenerador, a curva indicada por (72) mostra o processo do regenerador em operação com o ciclo do motor, ocorre alternadamente e sequencialmente a transferência de calor do gás do motor para o regenerador, este saindo da temperatura quente (Tq) para a temperatura (Tf) e a regeneração quando o processo ocorre ao contrário, partindo da temperatura (Tf) para a temperatura (Tq). Estes processos sempre ocorrem durante os processos politrópicos do ciclo do motor.

[048] A curva (71) da figura 14 é um processo adiabático e sua energia na unidade (Joule) é representada pela seguinte expressão:

[049] Esta energia (W71) é a energia interna do gás do próprio regenerador que permanece internamente durante todo o tempo em que o motor estará funcionando.

[048] A curva (72) da figura 14 também é um processo adiabático e sua energia na unidade (Joule) é representada pela seguinte expressão:

[050] O primeiro termo da energia ( W72) é a própria energia interna do gás mostrado por ( W71) e permanece indefinidamente no regenerador, o segundo termo, é a energia das adiabáticas do ciclo do motor nos processo politrópicos, corresponde a soma das energias da expansão do gás do regenerador e da expansão do gás do próprio motor, os parâmetros (Tq) e (77) são substituídos pelos parâmetros do respectivo intervalo em que ocorrem a transferência de calor para o regenerador e a regeneração, ambos são iguais.

[051] O processo termodinâmico da curva (72) da figura 14 ocorre nas condições mostradas nos desenhos mecânicos das figuras 11 e 13.

[052] A figura 15 mostra em (73) os processos que formam o ciclo de um dos subsistemas. O processo (b-c) do ciclo mostrado em (73) é politrópico e inicia no ponto (b) na temperatura quente (Tq), com (n1) mol de gás e segue para o ponto (c), transferindo parte da massa de gás, equivalente a (n1 -n2) mol de gás para o outro subsistema e transferindo seu calor (energia) para o regenerador e parte simultaneamente para o elemento de força motriz do motor, chegando ao ponto (c) numa temperatura mais fria de início do processo isobárico (Tc) e com (n2) mol de gás. O gráfico (75) mostra o processo em que o regenerador retira o calor do gás do subsistema, através da expansão do gás interno do regenerador ativo.

[053] A figura 16 mostra em (77), simultaneamente ao ciclo mostrado na figura 15, os processos que formam o ciclo do outro subsistema que compreende o conceito do motor formado por dois subsistemas interdependentes. O processo politrópico (b-c) mostrado na figura 15 no primeiro subsistema é de abaixamento da temperatura do gás, a sua energia é transferida ao regenerador ativo e ao elemento de força motriz, simultaneamente ocorre no segundo subsistema um processo politrópico (4-1 ) de crescimento da temperatura, mostrado na figura 16, a massa de gás equivalente a (n1 - n2) mol de gás do primeiro subsistema é transferido a partir do ponto (b), mostrado em (73), para o segundo subsistema, indicado no detalhe (78), figura 16, o qual inicia este processo politrópico com (n2) mol de gás em (4) e chega em (1 ) com (n1) mol de gás em uma temperatura mais quente (T1 ) recebida da energia armazenada do regenerador ativo e do elemento de força motriz do motor, cuja curva da parcela do regenerador de seu processo está indicada em (76).

[054] A figura 17 mostra o ciclo diferencial ideal do motor, de oito processos, completo, baseado no conceito de sistema termodinâmico híbrido, onde sempre ocorrem dois processos simultâneos no motor, exemplificado pelas indicações (86) e (88), até formar o ciclo completo de oito processos e ciclos de dois processos em cada um dos dois regeneradores ativos. Em (82), a sequência (1 -2-3-4-1 ) mostra os processos de um dos subsistemas que formam o ciclo do motor, a sequencia (a-b-c-d-a) mostra os processos do outro subsistema, em (81 ) são mostrados os processos de um dos regeneradores ativos, em (83) são mostrados os processos do outro regenerador ativo, todos interdependentes.

[055] Na figura 17, em (82). A curva indicada por (87) mostra os processos (a- b-c-d-a) de um dos subsistemas, o processo (a~b) é isobárico de alta temperatura onde ocorre a entrada de energia no sistema, ocorre simultaneamente com o processo isobárico de baixa temperatura (3-4) por onde ocorre o descarte da energia não utilizada, da curva indicada por (85) do outro subsistema. O processo (b-c) é politrópico de abaixamento de temperatura, ocorre simultaneamente com o processo (4-1 ), também politrópico, porém de aumento da temperatura, no processo (b-c) ocorre a transferência de calor (energia) do gás do motor para o elemento de força motriz do motor e também do gás do motor para o regenerador mostrado em (83), num processo adiabático indicado pela curva (89), simultaneamente no processo (4-1 ) ocorre a regeneração do calor (energia) para o gás do motor recebida do elemento de força motriz do motor e do regenerador mostrado em (81 ), também num processo adiabático indicado pela curva (84), simultaneamente ainda, durante os processo politrópicos do ciclo do motor e durante os processo adiabáticos dos regeneradores ativos, ocorre a transferência de massa, saindo (n1 - n2) mol de gás no processo (b-c), para o outro subsistema, durante o processo politrópico (4-1 ), mostrado no detalhe (78) na curva do gráfico (77) na figura 16. Os processos (2-3) e (d-a) são idênticos aos processos (b-c) e (4-1 ). O processo (c~d) é isobárico de baixa temperatura e ocorre simultaneamente ao processo (1 -2), isobárico de alta temperatura. O processo (d-a) é politrópico de aumento de temperatura (regeneração), com incremento de massa e ocorre simultaneamente ao processo (2-3) politrópico de redução de temperatura (transferência de calor ao regenerador), com redução de massa, finalizando assim o ciclo termodinâmico com oito processos do motor, sempre dois simultâneos e os ciclos dos dois regeneradores ativos, cada um com dois processos adiabáticos. A soma da massa de gás de trabalho dos dois subsistemas que formam o motor é sempre constante.

[056] Nas câmaras de conversão do motor, os processos isobáricos do ciclo do motor (1 -2), (a-b), (3-4) e (c-d) são realizados com o gás confinado em uma geometria caracterizada por uma inércia térmica em que o gás tenha uma taxa de variação da temperatura tal que o mesmo tende a equalizar com os elementos quentes ou frios apenas no final destes processos, fazendo que a pressão fique relativamente estável, isto é, isobárica. Esta geometria deve ser caracterizada por uma profundidade não muito pequena para a penetração do calor no gás, ou por um deslocamento do gás entre os elementos quentes e frios não muito rápido de forma a produzir uma taxa de variação da temperatura em todo o processo isobárico fazendo com que a pressão tenha um comportamento constante. Os processos politrópicos do cicio do motor (2- 3) e (b-c) são realizados com o gás em uma região isolada termicamente ou na transição entre as áreas quentes e frias do motor, e neste processo o elemento de força motriz do motor e o regenerador em contato térmico com o gás de trabalho realizarão uma expansão rápida, adiabática, transferindo a energia do gás para os elementos mecânicos do regenerador e do motor, armazenando a energia em forma de energia cinética e nos processos politrópicos do ciclo do motor (4-1 ) e (d-a) são realizados também com o gás em uma região isolada termicamente ou na transição entre as áreas quentes e frias do motor, e neste processo o regenerador em contato térmico com o gás de trabalho realizará uma compressão rápida juntamente com o elemento de força motriz do motor, adiabática, transferindo a energia cinética de seus elementos de volta para o gás do motor, elevando sua temperatura, concluindo a regeneração.

[057] A tabela 1 mostra processo por processo que formam o ciclo diferencial de oito processos do motor térmico mostrados passo a passo, com quatro processos isobáricos, quatro processos politrópicos e o ciclo termodinâmico com dois processos adiabáticos do regenerador ativo e etapas de transferência de massa.

Tabela 1

[058] Este ciclo diferencial de um motor composto por dois subsistemas baseado no conceito de sistema híbrido, cuja curva da pressão e do volume é indicado na figura 17, possui oito processos, dois processos isobáricos de alta temperatura de entrada de energia no sistema, curvas (1 -2) e (a-b) são representadas pelas expressões (g) e (h), dois processos isobáricos de baixa temperatura de descarte da energia não utilizada, curvas (3-4) e (c-d) representados pelas expressões (i) e (j), dois processos politrópicos de transferencia de calor (2-3) e (b-c) por meio de um regenerador ativo, representados pelas expressões (k) e (I), dois processos politrópicos de regeneração de calor (4-1) e (d-a), representados pelas expressões (m) e (n). As expressões consideram o sinal do sentido do fluxo das energias.

[059] Considerando que o total de energia de entrada no motor é a soma das energias e é representada peia expressão

(o) abaixo.

[060] Considerando que (73 = Tc) e (74 = Td), o total de energia descartada para o meio exterior é a soma das energias Qp- ) e e na sua forma positiva, é representada pela expressão (p) abaixo.

[061] 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 (q) abaixo.

[062] Os processos politrópicos, mostrados pelas expressões (k), (I), (m) e (n) são iguais e regenerativos, a energia é transferida no processo de abaixamento de temperatura e regenerada nos processos de aumento da temperatura, isto é, a energia se conserva nos subsistemas.

[063] A demonstração final teórica da eficiência do ciclo diferencial de oito processos, quatro processos isobáricos, quatro processos politrópicos com transferencia de massa e regenerador ativo é dada pela expressão (r), caracterizando que os ciclos 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..

EXEMPLOS DE APLICAÇÕES

[064] Os motores de ciclo 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 do estado físico do gás de trabalho. Pelas suas propriedades expostas nesta descrição, os motores de ciclo diferenciais podem ser projetados para operar em uma larga faixa de temperatura, superiores à maioria dos ciclos motores existentes baseados nos sistemas aberto ou fechado. Os motores de ciclo diferenciais são totalmente flexíveis quanto à fonte da energia (calor), na figura 18 é mostrado uma aplicação para o emprego do motor de ciclo diferencial para a geração de energia a partir de fontes geotermais. A figura 18 mostra um sistema de transferência de calor do solo 96 para um coletor (94), formado basicamente por uma bomba (97) que injeta um fluido, normalmente água, pelo duto (93). O calor no coletor (94) é transferido para o motor de ciclo diferencial (91 ), o qual descarta parte da energia para o meio externo através do trocador de calor (95) e converte outra parte da energia em trabalho, operando um gerador (92) o qual produz eletricidade.

[065] A figura 19 mostra outra aplicação útil para o motor de ciclo diferencial para a produção de energia a partir do calor do sol. Os raios solares são coletados através do concentrador (103), a energia (calor) é transferida para o elemento (104) o qual dírecíona o calor para o motor de ciclo diferencial (101 ), este converte parte da energia em trabalho útil para operar um gerador de eletricidade, (102), parte da energia é descartada ao meio externo através do trocador (105).

[066] A figura 20 mostra outra aplicação útil para o motor de ciclo diferencial para melhorar a eficiência de motores de combustão interna, formando ciclos combinados com estes. O calor rejeitado pelas exaustões, (116), dos motores de combustão interna, indicado por (112), alimentados por combustíveis, (117), de ciclo Brayton, ciclo Diesel, ciclo Sabathe, ciclo Otto, ciclo Atkinson, são canalizados para a entrada de energia (calor) do motor de ciclo diferencial, (111 ), através de um trocador (113), promovendo um fluxo de calor, (1111 ), do motor de combustão interna, (112), em direção ao motor de ciclo diferencial (111 ) e este converte parte desta energia em força mecânica útil, (1113) que pode ser integrada à força mecânica do motor de combustão interna, (1112) gerando uma força mecânica única, (118), ou direcionada a produzir energia elétríca. O descarte da energia não convertida pelo motor de ciclo diferencial segue para o meio externo indicado por (1110). Esta aplicação permite recuperar parte da energia que os ciclos dos motores de combustão interna não podem utilizar para a realização de trabalho útil e assim melhorar a eficiência geral do sistema.