"MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO FORMADO POR UMA UNIDADE PRINCIPAL A TURBINA E UMA UNIDADE SECUNDÁRIA A PISTÕES E PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR"

CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO

[001] Refere-se a presente invenção a um motor térmico de combustão interna tipo turbina integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões formando uma unidade integrada mecanicamente e termodinamicamente com entrada de energia por combustão interna em um processo isobárico e rejeito de calor por um processo isotérmico de compressão

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 Âtkinson, 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.

[008] 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 atualmente são basicamente os motores de ciclo Rankine o mais antigo, ciclo Stirling, ciclo Otto, cicio Brayton e ciclo Diesel. Existem outros, mas são basicamente versões destes. Foram inventados a maioria deles no século XIX e a partir do seu invento vem sendo aprimorados. No século XX surgiram alguns ciclos combinados. 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 cicios 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 800 °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 sustentabílidade nestes projetos.

[011] Não são conhecidos até o presente um motor integrado com um ciclo resultante único.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[012] Os grandes problemas do estado da técnica, específicamente quanto aos ciclos conhecidos, sistemas de cogeração e ciclos combinados se encontram na eficiência limitada. A tecnologia mais próxima a deste invento, o ciclo combinado de uma turbina Brayton com uma máquina Rankine impõem muitas perdas com condensação, troca do estado físico do fluido de trabalho, bombeamento do líquido para o tanque de vapor, nova troca de estado físico, calor latente, estas propriedades exigem energia que não se converterá em energia mecânica.

[013] O objetivo da invenção se concentra em eliminar alguns dos problemas existentes, minimizar outros problemas e oferecer novas possibilidades, para alcançar estes objetivos, objetivos de melhorar a eficiência, um novo conceito de motores térmicos passou a mostrar vantagens substanciais. Um novo conceito, um passo que evoluiu do ciclo combinado para o ciclo integrado, isto é, não teremos mais um ciclo de uma unidade cujo rejeito de calor deste passa a alimentar outra unidade independente, agora temos um ciclo plenamente integrado a outro onde o processo de transferência de energia passa a ser conceituado como regeneração que interliga duas unidades formando uma nova unidade integrada mecanicamente e termodinamicamente de forma a termos um ciclo resultante único.

[014] Este novo conceito apresenta comprovadamente melhor eficiência teórica que qualquer outro ciclo conhecido, seja ele independente, como o Otto, Diesel, Stirling, Brayton e Rankine, como também qualquer outro ciclo combinado conhecido, como o Diesel com o Rankine e Brayton com o Rankine ou Rankine orgânico. As demonstrações destas vantagens se encontram nas equações apresentadas no texto desta patente.

[015] Portanto o objetivo é apresentar um conceito de uma nova tecnologia de motor térmico que ofereça mais eficiência na conversão e geração de energia comparando-se às tecnologias convencionais a partir de fontes térmicas.

DESCRIÇÃO DÂ INVENÇÃO

[016] Os motores de ciclos integrados, diferente dos combinados, são caracterizados por constituírem um único motor formado por duas unidades e com um único ciclo termodinâmico resultante.

[017] O conceito presente considera uma unidade tipo turbina integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, formando uma unidade integrada mecanicamente, cujo processo entre as unidades seja de regeneração total da energia e com entrada de energia por combustão interna em um processo isobárico na unidade tipo turbina, e o rejeito de calor na unidade por pistões por um processo isotérmico de compressão.

[018] A presente invenção trás evoluções importantes para a conversão de energia térmica em mecânica pelo conceito da integração mecânica e termodinâmica formando um novo ciclo resultante. A figura 3 mostra o detalhe da regeneração total entre a unidade principal com a unidade secundária sendo que toda a energia de entrada entra na unidade principal e todo o calor descartado, é descartado teoricamente e integralmente pela unidade secundária. A figura 9 mostra como a unidade principal é conectada na unidade secundária e a figura 11 mostra o ciclo termodinâmico resultante desta integração. A figura 17 mostra um modelo construtivo completo do motor plenamente integrado. Algumas das principais vantagens do invento deste motor de combustão interna integrado 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, itens estes presentes nos ciclos combinados do atual estado da técnica. Portanto, a inovação apresentada com este invento é expressiva.

[019] O motor térmico de combustão interna tipo turbina integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, pode ser construído com materiais e técnicas semelhantes aos motores de ciclos combinados convencionais e com técnicas amplamente conhecidas, oferecendo viabilidades para seu desenvolvimento, construção e aplicação prática.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[020] As figuras anexas demonstram as principais características e propriedades do novo conceito de um motor térmico de combustão interna tipo turbina integrado a uma unidade secundária de gás a circuito fechado a pistões, formando uma unidade integrada mecanicamente e termodinamicamente com um ciclo termodinâmico resultante de cinco processos, um processo isobárico de entrada de energia, um processo adiabático de expansão, um processo isobárico de compressão regenerativo, um processo isotérmico de compressão e rejeito de calor e um processo isocórico regenerativo, sendo representadas conforme segue abaixo:

A figura 1 mostra o ciclo termodinâmico da unidade principal de combustão interna tipo turbina;

A figura 2 mostra o detalhe da linha isotérmica 15 entre os pontos (1 ) e (3) do ciclo termodinâmico da unidade principal a qual é necessária para gerar a regeneração que permite a formação do ciclo termodinâmico de cinco processos;

A figura 3 mostra o fluxo de energia 22 da regeneração do processo isobárico de compressão da unidade principal tipo turbina para o processo isocórico da unidade secundária a pistões;

A figura 4 mostra na área hachurrada o trabalho acrescido ao cicio do motor tipo turbina pelo motor a pistões;

As figuras 5 e 6 mostram como o ciclo termodinâmico começa a ser integrado;

As figuras 7 e 8 mostram como o ciclo termodinâmico da unidade a pistões se encaixa no ciclo termodinâmico da unidade por turbina para formar o motor integrado;

A figura 9 mostra o diagrama completo do motor integrado composto por uma unidade principal de combustão interna tipo turbina e uma unidade secundária a pistões interligados por um regenerador;

A figura 10 mostra de forma mais clara a integração do ciclo termodinâmico da unidade principal de combustão interna tipo turbina com um trabalho líquido mostrado peia região 63 do gráfico, integrada ao trabalho líquido mostrado pela região 64 da unidade secundária a pistões formando um novo ciclo resultante mostrado na figura 11 com um trabalho líquido mostrado pela região 67 do gráfico;

A figura 11 mostra o diagrama do motor integrado formado pela unidade principal de combustão interna tipo turbina com a unidade secundária a pistões; A figura 12 mostra o diagrama do motor integrado formado pela unidade principal de combustão interna tipo turbina com a unidade secundária a pistões com o detalhe do fluxo de energia e gás do processo isocórico da unidade a pistões indicando a atuação da válvula V1 no processo isocórico de aquecimento;

A figura 13 mostra o diagrama do motor integrado formado pela unidade principal de combustão interna tipo turbina com a unidade secundária a pistões com o detalhe do fluxo de energia e gás do processo adiabático de expansão da unidade a pistões indicando que o gás de trabalho permanece confinado adiabaticamente pelos bloqueios das válvulas V1, V2 e V3 no processo adiabático de expansão e trabalho;

A figura 14 mostra o diagrama do motor integrado formado pela unidade principal de combustão interna tipo turbina com a unidade secundária a pistões, com o detalhe do fluxo de energia e gás do processo isotérmico de compressão da unidade a pistões indicando a atuação da válvula V2, V3 e do compressor 47 no processo isotérmico de compressão e rejeito de calor;

A figura 15 mostra o diagrama do motor integrado, formado pela unidade principal de combustão interna tipo turbina com a unidade secundária a pistões, novamente no estado inicial do seu respectivo ciclo de entrada da energia regenerada;

A figura 16 mostra o diagrama do motor integrado formado pela unidade principal de combustão interna tipo turbina com a unidade secundária a pistões com o detalhe do acoplamento das forças mecânicas de ambas as unidades por meio da caixa de velocidades 111 ;

A figura 17 mostra um desenho de um modelo construtivo de um motor integrado, constituído por uma unidade principal de combustão interna tipo turbina com uma unidade secundária a pistões; A figura 18 mostra um exemplo de aplicação do motor integrado constituído por uma unidade principal de combustão interna tipo turbina com uma unidade secundária a pistões para geração de energia elétrica;

DESCRIÇÃO DETALHADA DO INVERTO

[021] O entendimento do conceito do motor de combustão interna integrado, formado por uma unidade principal tipo turbina e uma unidade secundária por pistões, exige a análise inicialmente do ciclo da unidade tipo turbina mostrado na figura 1. Para configurar um motor integrado com um ciclo termodinâmico resultante de cinco processos é necessário que a unidade tipo turbina seja configurada ou projetada com parâmetros tal que a temperatura T4 seja igual à temperatura fria Tf e a temperatura T1 seja igual à temperatura final do processo de expansão adiabático T3, de forma a termos uma linha isotérmica entre a temperatura T3 e T1 mostrada por 15 na figura 2 Esta exigência fica bem evidente uma vez que desejamos regenerar teoricamente toda a energia indicada por 14 do processo de compressão isobárico (3-4), figura 2, para a unidade a pistões, recuperando esta energia no processo isocórico (5-1 ) de aquecimento desta unidade a pistões mostrado na figura 3. Então conforme mostrado na figura 3, teremos a energia 22 teoricamente totalmente regenerada da unidade por turbina para a unidade a pistões onde a temperatura T5 do processo isocórico da unidade a pistões é igual a temperatura Tf do segmento de menor temperatura do regenerador e a temperatura T1 do processo isocórico da unidade a pistões é igual a temperatura T3 do segmento de maior temperatura do regenerador.

[022] A figura 4 mostra o resultado da integração do ciclo da unidade principal tipo turbina com o ciclo da unidade secundária por pistões e dois cicios distintos, um de quatro processos termodinâmicos e outros de três processos termodinâmicos passam a ter uma configuração e um comportamento de um único ciclo de cinco processos, um isobárico de expansão (1 -2) de entrada de energia, um adiabático de expansão (2-3), um isobárico de compressão regenerativo (3-4), um isotérmico de compressão e rejeito de calor (4-5) e um isocórico regenerativo (5-1 ).

[023] As figuras 5 e 6 mostram respectivamente o ciclo termodinâmico e o modelo mecânico da unidade principal tipo turbina. A energia por combustão interna 31 executa o processo isobárico (1 -2) e a combustão ocorre no interior da câmara de combustão 34. Na sequência conforme o fluxo de energia, ocorre o processo de expansão adiabática na turbina 35, esta turbina atua girando o eixo 37. Na sequência ocorre o processo de compressão isobárico (3-4), quando o gás 32 escoa para fora da turbina. Na sequência ocorre o processo adiabático de compressão (4-1 ) quando o gás 33 é aspirado do ambiente e comprimido pelo rotor do compressor 36 para o interior da câmara de combustão 34.

[024] As figuras 7 e 8 mostram respectivamente o cicio termodinâmico e o modelo mecânico da unidade secundária por pistões com gás em circuito fechado. A energia indicada por 41 do regenerador 43 promove o processo isocórico de aquecimento (5-1 ) com o movimento a volume constante dos pistões dos cilindros 45 e 46. Na sequência ocorre o processo adiabático de expansão (1 -4) com a expansão do gás movimentando o pistão do cilindro 46 gerando força mecânica nos elementos de força motriz 412. Na sequência ocorre o processo isotérmico de compressão e rejeito de calor (4-5) com o gás sendo comprimido pelo pistão do cilindro 46 forçando o gás a passar pelo trocador isotérmico 44 movendo o pistão do cilindro 45 e este processo ocorre com o auxílio do compressor 47 movido eletricamente pelo motor elétrico 48.

[025] A figura 9 mostra o motor de combustão interna integrado, formado por uma unidade principal tipo turbina 53 e uma unidade secundária por pistões 54 e seus elementos fundamentais, é um motor constituído pela integração de uma unidade tipo turbina 53 alimentado por combustão interna com uma unidade a pistões com gás em circuito fechado 54 alimentado por um processo regenerativo, sendo que a unidade tipo turbina é alimentada por combustão interna 31 contendo uma câmara de combustão 34, a qual expande o gás da combustão em processo isobárico atuando sobre o rotor da turbina 35 em processo adiabático de expansão acionando o eixo 37 que por sua vez produz trabalho útil e atua no rotor do compressor 36 em processo adiabático de compressão que aspira o ar externo 33 para o interior da câmara de combustão 34, e o fluxo de gás 32 de saída da turbina 35 alimenta, transfere a energia ao regenerador que é um trocador de calor isocórico 43, e o trocador de calor isocórico 43 responsável pela regeneração alimenta a unidade a pistões 54 por meio de um processo isocórico atuando nos cilindros de deslocamento de gás 45 o qual é auxiliar dos processos isocórico e isotérmico, e o cilindro de força mecânica 46 responsável pelo trabalho útil que através de um sensor de posição angular dinâmico chamado de encoder 55 fixado no eixo dos elementos de força mecânica 412 e uma unidade de controle eletrónico ou mecânico 56 atua nas válvulas ou conjunto de válvulas V1 49, V2 410 e V3 411 e controlam os processo termodinâmicos da unidade a pistões 54 e de forma que o processo isotérmico da unidade a pistões ocorre pelo rejeito de calor em um trocador isotérmico 44 com o auxílio de um compressor ou circulador de gás formado por um rotor 47 e um motor elétrico 48 e o resultado do processo é a força mecânica no eixo que interliga os elementos de força 412, caracterizando o motor integrado por uma unidade tipo turbina 53 alimentado por combustão interna com uma unidade a pistões com gás em circuito fechado 54 alimentado por um processo regenerativo.

[026] As figuras 10 e 11 mostram graficamente todos os processos que formam o ciclo termodinâmico do motor de combustão interna integrado com seu modelo mecânico mostrado na figura 9, formado por uma unidade tipo turbina 53 e uma unidade a pistões com gás em circuito fechado 54. O motor possui um ciclo termodinâmico cujos fenômenos são gerados a partir de uma fonte térmica a combustão indicada por 61 da figura 10, a combustão ocorre na câmara de combustão 34 mostrada na figura 9, a qual produz a expansão do gás na câmara de combustão 34 da unidade tipo turbina de combustão interna 53 e que gera o processo de entrada de energia do ciclo termodinâmico com uma expansão isobárica (1 -2), onde o gás aumenta a temperatura com a pressão constante Ph de Tf para Tq, após o processo de expansão isobárico (1 -2) ocorre o processo de expansão adiabático (2-3) no rotor de turbina 35 onde o gás reduz a temperatura de Tq para T3 e reduz a pressão de Ph para PL, após o processo de expansão adiabático (2-3) ocorre o processo regenerativo de compressão isobárico (3-4) com a transferência de energia com pressão constante PL para o trocador de calor, regenerador isocórico 43, liberando o gás resultante da combustão 51 ao ambiente na temperatura fria Tf, após o processo de compressão isobárico (3-4) ocorre o processo de compressão adiabático (4-1 ) no rotor do compressor 36 onde o gás aumenta a temperatura de Tf para Tf e pressão de PL para Ph, finalizando os processos na unidade de combustão interna por turbina 53 e estes quatro processos (1 -2), (2-3), (3-4) e (4-1 ) ocorrem em uma ordem de acordo com o fluxo de energia porém todos ocorrem simultaneamente no domínio do tempo, e a partir do processo de compressão isobárico regenerativo (3-4) com o fluxo de gás quente 32 transferindo sua energia ao regenerador 43 ocorre simultaneamente a este, o processo isocórico de aquecimento (5-1 ) da unidade a pistões com gás em circuito fechado 54, mostrado mecanicamente em detalhes na figura 12 com o fluxo do gás indicado por 71 , onde o gás em volume constante VI com o movimento simultâneo dos pistões dos cilindros 45 e 46 passando o gás pelo regenerador 43 onde o gás aumenta a sua temperatura de Tf para Tf e aumenta a pressão de P5 para Ph, após o processo de aquecimento isocórico (5-1 ) ocorre o processo de expansão adiabático (1 -4) no cilindro de força mecânica 46, mostrado mecanicamente em detalhes na figura 13 onde este se move a partir do volume V1 para o volume V4 com a expansão do gás produzindo força mecânica nos elementos de força motriz 412, e neste processo o gás reduz a temperatura de Tf para Tf e reduz a pressão de Ph para PL, após o processo de expansão adiabático (1 -4) ocorre por meio da energia cinética armazenada nos eixos e elementos de força motriz 412, o processo de compressão e rejeito de calor 62 isotérmico (4-5) mostrado mecanicamente em detalhes o fluxo do gás indicado por 91 e 92 na figura 14 finalizando e retomando ao início conforme indicado na figura 15, os processos na unidade a pistões 54 com gás em circuito fechado e estes três processos (5- 1 ), (1 -4), e (4-5) ocorrem em uma ordem sequencial no domínio do tempo finalizando os processos que formam o ciclo termodinâmico do motor de combustão interna integrado por uma unidade com turbina de combustão interna e uma unidade com pistões com gás em circuito fechado de forma a caracterizar uma nova máquina complexa com duas unidades integradas que no conjunto opera mediante um ciclo 611 , figura 11 , formado por cinco processos termodinâmicos, por um processo de entrada de energia isobárico (1 -2) por combustão inferna 65, um processo de expansão adiabático (2-3) com realização de trabalho 68, um processo de compressão isobárico (3-4) regenerativo 69, um processo de rejeito de calor por compressão isotérmica (4- 5), 66, e um processo de aquecimento isocórico (5-1 ), 610 regenerado pelo processo isobárico (3-4) de forma que o motor de combustão interna integrado realiza o trabalho líquido 67 resultante da soma de todos os processos que formam o ciclo termodinâmico

[027] A tabela 1 mostra os quatro processos (1 -2, 2-3, 3-4, 4-1 ) que formam o ciclo parcial do motor da unidade tipo turbina, mostrados passo a passo, com dois processos isobáricos e dois processos adiabáticos.

Tabela 1

[028] A tabela 2 mostra os três processos (5-1 , 1-4, 4-5) que formam o ciclo da unidade a pistões de circuito fechado mostrados passo a passo, com um processo isocórlco de entrada de energia, um processo adiabátlco de trabalho útil e um processo isotérmico de compressão e rejeito de calor.

Tabela 2

[029] A tabela 3 mostra os cinco processos (1 -2, 2-3, 3-4, 4-5, 5-1 ) que formam o ciclo termodinâmico resultante do motor de combustão interna integrado, formado por uma unidade a combustão interna tipo turbina integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, formando uma unidade integrada mecanicamente e termodinamicamente com entrada de energia por combustão interna em um processo de expansão isobárico e rejeito de calor por um processo de compressão isotérmico.

Tabela 3

[030] Todos os processos que formam o ciclo termodinâmico do motor integrado podem ser demonstrados por eio de equações matemáticas. A energia de entrada do motor térmico de combustão interna tipo turbina integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões ocorre por meio de um processo isobárico, e a combustão na câmara de combustão 34 produz um acréscimo da energia a partir do ponto (1 ) figura 10, do processo isobárico (1 -2) de expansão e aquecimento representado pela expressão (a).

[031] Na equação (a), (Q,) representa a energia total de entrada no sistema por combustão, em“Joule”, (n) representa o número de mol pertencendo à unidade tipo turbina, ( R ) representa a constante universal dos gases perfeitos, { T _q ) representa a temperatura máxima do gás em“Kelvin” no ponto (2) do processo, figura 10, (T _f ) representa a temperatura no ponto (1 ) iniciai do processo isobárico, figura 10, e {¾ ) representa o coeficiente de expansão adiabática. A temperatura (T _f ) no ponto (1 ) é igual à temperatura ( T3 ) do ponto

[032] O processo subsequente do ciclo é um processo de expansão adiabático (2-3), é um processo de trabalho da turbina 35 e é representada pela expressão (b).

[033] O processo subsequente do ciclo é um processo de compressão isobárico regenerativo (3-4), figura 10, onde o gás da unidade tipo turbina transfere sua energia a um regenerador, trocador de calor isocórico 43 e é representada pela expressão (c).

[034] Na equação (c), ( Q _reg ) representa a energia total transferida ao regenerador peio processo isobárico (3-4), em“Joule”, esta energia alimentará a unidade a pistões. [035] O processo subsequente do ciclo é um processo de compressão adiabático (4-1 ), figura 10, onde o compressor 36 da unidade tipo turbina leva o gás à pressão (Ph) e temperatura (Tf) e é representado pela expressão (d).

[036] Os processos da unidade tipo turbina ocorrem em uma ordem de fluxo de energia, porém ocorrem simultaneamente no domínio do tempo.

[037] O processo que alimenta a unidade a pistões de circuito fechado é um processo isocórico (5-1 ) e é o processo regenerativo do processo isobárico (3- 4) da unidade tipo turbina, este processo foi definido pela expressão (c) por ( Qreg)· Na unidade a pistões é representado pela expressão (e).

[038] Considerando que o número de mol de gás da unidade a pistões seja definido como (n _p ), para haver uma equalização da regeneração as equações (c) e (e) devem ser iguais, desta forma o número de mol de gás da unidade a pistões deverá ser ( n _P~ y.n ), portanto a equação do processo isocórico compensado passará a ser definido pela expressão (f).

[039] Com o número de mo! da unidade a pistões compensado, o processo de expansão adiabático (1 -4) da unidade a pistões será representado pela expressão (g).

[040] O processo de rejeito de calor da unidade a pistões é um processo isotérmico (4-5) e com o número de mo! compensado, este processo de compressão isotérmico e rejeito de calor será representado de forma aproximada pela expressão (h). n - ₅ = K·h. L.7>.1h(¾ (h)

Vl

[041] O trabalho útil total do motor térmico de combustão interna tipo turbina integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões é representado graficamente pela área hachurada, indicada por 67 da figura 11 , considerando um modelo ideal sem perdas, é a diferença entre a entrada e a saída da energia e é representado aproximadamente pela expressão (i) abaixo.

[042] Desta forma a eficiência do motor térmico de combustão interna tipo turbina integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões ideal é representado aproximadamente pela expressão (j).

⁽ r- ^i)J / ^Jn ¾ ⁾

h. = i -

(Jq-Ti) (j)

[043] As equações de (a) a (j) demonstram matematicamente todos os processos que formam o ciclo termodinâmico do motor, o trabalho útil e a eficiência. Estas equações demonstram matematicamente como os fenômenos ocorrem, sua origem por meio da combustão interna, cada um dos processos decorrentes, o trabalho útil resultante e a energia não utilizada na conversão do trabalho rejeitada ao ambiente.

[044] O motor integrado formado por uma unidade tipo turbina de combustão interna e uma unidade a pistões com gás em circuito fechado constitui uma única máquina plenamente integrada, porém como pelas características próprias, a unidade a turbina opera em alta rotação e a unidade a pistões opera em rotações menores, desta forma bá um acoplamento entre os eixos por meio de um multiplicador de velocidades mostrado no desenho da figura 18 onde o eixo 37 da unidade tipo turbinai 13 se interliga ao eixo dos elementos de força mecânica 412 da unidade a pistões 114 por um multiplicador, caixa de velocidades indicada por 111 com uma saída de força mecânica única no eixo 112 da figura 16.

[045] Um modelo construtivo do motor integrado formado por uma unidade tipo turbina de combustão interna e uma unidade a pistões com gás em circuito fechado e seus principais elementos é mostrado na figura 17. A unidade tipo turbina mostrado na figura 17 tem a entrada de ar indicada por 121 aspirada pelos rotores do compressor 122, o ar entra na câmara de combustão 124 pelo canal 123, na saída da câmara de combustão 125 o gás sob alta pressão e temperatura atua sobre os rotores da turbina 126 com a saída do gás com menor pressão e temperatura passando pelo canal 127 entrando no regenerador 129 e o gás é liberado para o ambiente em temperatura baixa pelo escapamento 128. O regenerador 129 alimenta o processo isocórico da unidade a pistões através do deslocamento do pistão do cilindro 1213 que empurra o gás interno para o cilindro 1216 pelo conjunto de válvulas 1214, o cilindro de força mecânica 1216 se move com a expansão do gás realizando um processo adiabático movimentando o eixo, virabrequim 1212 no interior da carcaça 1211 , que por sua vez juntamente com o eixo da unidade tipo turbina transmite a potência mecânica ao eixo de saída 1219. Uma caixa de velocidade 1210 acopla a força mecânica da unidade tipo turbina com a unidade por pistões. Um compressor de acionamento elétrico 1215 realiza a circulação do gás de trabalho da unidade por pistões pelo trocador isotérmico 1217 para o processo de compressão e rejeito de calor isotérmico e o trocador isotérmico de rejeito de calor 1217 possui respectivamente uma entrada 1218 e uma saída 1220 de fluido de resfriamento.

EXEMPLOS DE APLICAÇÕES

[046] Motores integrados formado por uma unidade tipo turbina de combustão interna e uma unidade a pistões com gás em circuito fechado possuem inúmeras aplicações, a mais evidente seria para gerar energia, mostrado na figura 18, pois tem como benefício direto a sua capacidade de converter maior quantidade de energia em trabalho em se comparando com quaisquer das tecnologias conhecidas. Este motor integrado possui uma eficiência teórica superior aos conhecidos motores de ciclo Diesel, ciclo Brayton, ciclo Rankine e os ciclos combinados destes conforme demonstrado pelas equações apresentadas e pela equação (j) da eficiência. A Figura 18 mostra uma aplicação do motor onde o motor 131 atua sobre um gerador de eletricidade 132