BR102012015554A2 - Máquina térmica que opera em conformidade com o ciclo termodinâmico de carnot e processo de controle - Google Patents

Abstract

MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT E PROCESSO DE CONTROLE, Refere-se a presente invenção, a uma " Máquina que opera em conformidade com o ciclo Termodinâmico de Carnot", que, de acordo com as suas características gerais, possui como principio básico converter energia térmica em força motriz em um elemento de força motriz, geralmente um motor ou turbina. O sistema é composto por um corpo com duas câmaras formando dois estatores com rotor e eixo concêntrico independente do elemento de força motriz, ambas realizam as quatro transformações do ciclo termodinâmico, duas transformações isotérmicas e duas adiabáticas de forma diferencial. Esta máquina possui lógica de programa de computador, um conjunto de sensores ligados a uma unidade eletrônica a qual possui um processo que executa as quatro transformações termodinâmicas conforme o ciclo de Carnot.

Description

"MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT E PROCESSO DE CONTROLE".

Refere-se a presente invenção, ao campo técnico de motores termodinâmicos, mais especificamente a uma máquina térmica que opera em conformidade com o ciclo termodinâmico de Carnot e processo de controle que, de acordo com as suas características gerais, possui como principio básico converter energia térmica em força motriz em um motor, turbina ou outro elemento de força motriz.

As necessidades mundiais estão cada vez mais contundentes quanto ao suprimento de energia, a busca por alternativas economicamente viáveis e relativamente inofensivas ou pouco ofensivas contra a natureza vem sendo pesquisadas pela maioria dos países, especialmente os mais desenvolvidos.

Nos últimos duzentos anos foram inventadas várias máquinas térmicas para utilização na indústria e para gerar energia para a população, as tecnologias mais conhecidas e economicamente viáveis até o presente são: Máquinas usadas em usinas termelétricas, a maioria operam pelo ciclo Rankine, criado em 1859 por William John Macquorn Rankine, utiliza como fonte de energia basicamente materiais de origem fóssil, o carvão e gás natural e a combustão é externa, A transfonnação termodinâmica é de quatro fases com duas transformações adiabáticas e duas transformações isobáricas e mais uma transformação de estado onde a água muda de líquido para vapor. Seu rendimento é de aproximadamente 20 a 30%. Máquinas usadas em jatos operam pelo ciclo Brayton, criado em 1872 por George Brayton, proposto mais cedo em 1791 por John Barber, utiliza como fonte de energia, também derivados de materiais de origem fóssil, querosene, gás, a combustão é interna. A transformação termodinâmica é de quatro fases com duas transformações adiabáticas e duas transformações isobáricas. Seu rendimento é de aproximadamente 17%, para turbinas a gás, aplicadas em geração de energia. Máquinas de combustão interna usadas em automóveis operam pelo ciclo Otto, desenvolvido por Nikolaus Otto em 1876, utiliza também combustíveis de origem fóssil, gasolina, atualmente também de origem vegetal, o álcool. É uma máquina com transformação termodinâmica de quatro fases com duas transformações adiabáticas e duas isocóricas. Seu rendimento é de aproximadamente 26%. Máquinas de combustão interna usadas em veículos pesados, caminhões, trens, navios e em aplicações industriais, operam pelo ciclo Diesel, desenvolvido por Rudolf Diesel em 1893, utiliza também combustíveis de origem fóssil, óleo diesel, atualmente também de origem vegetal, o biodiesel. E uma máquina com transformação termodinâmica de quatro fases com duas transformações adiabáticas, uma transformação isobárica e outra transformação isocórica. Seu rendimento é de aproximadamente 34%. Máquinas de combustão externa, atualmente usada em projetos de energias alternativas, operam pelo ciclo Stirling, desenvolvido por Robert Stirling em 1816, utiliza várias fontes de energia, atualmente voltada para fontes menos poluentes e de menor impacto ambiental, como biomassa, fontes termais, termossolar. É uma máquina com transformação termodinâmica de quatro fases com duas transformações isotérmicas e duas transformações isocóricas. Seu rendimento é de aproximadamente 40 a 45%, variando conforme o valor e o diferencial de temperatura das fontes quente e fria.

Com o conceito de Stirling, observa-se motores tipo Alfa como as publicadas nas patentes US7827789 e US20080282693, tipo Beta como a patente US20100095668, tipo Gama como a patente US20110005220, máquinas Stirling Rotativas como as patentes US6195992 e US6996983, híbridas tipo Wankel-Stirling conforme patente US7549289. Todas compreendem a solidariedade do ciclo de força motriz com o ciclo termodinâmico e pelas suas características mecânicas e de processo, não realizam transformações adiabáticas.

Ainda com o conceito Stirling, com duas transformações termodinâmicas isotérmicas e duas transformações isocóricas, observa-se a patente PI 1000624-9 do mesmo autor, que possui diferentemente das acima citadas, o elemento motriz independente do ciclo termodinâmico. A última apresentada neste texto é a máquina de Camot, idealizada pelo cientista Francês Nicolas Leonard Sadi Camot em 1824. Trata-se de uma máquina ideal, todas as demais máquinas desenvolvidas tem o seu padrão de desempenho e de viabilidade econômica comparadas à máquina ideal de Camot. A máquina de Camot opera em conformidade com o ciclo termodinâmico que leva o mesmo nome, ciclo de Carnot, o qual possui duas fases com transformação isotérmica e duas fases com transformação adiabática. Literaturas exaustivamente publicadas descrevem: as fases isotérmicas, nas quais existe a realização de trabalho, uma delas com a expansão do gás e outra com a contração do gás onde que pelo enunciado de Camot a temperatura do gás deve permanecer constante, porém fisicamente, com a expansão do gás, sua característica de condutividade térmica e geometria das máquinas torna esta fase extremamente difícil de ser conseguida mecanicamente, especialmente considerando que no processo deve haver a troca de forma instantânea e sequencial destas quatro transformações. As transformações adiabáticas, pelo enunciado de Carnot, exige que seja retirada instantaneamente as fontes de calor ou de frio sujeito ao gás de trabalho e mantê-lo em expansão ou compressão dentro de um volume isolado termicamente, sem que o mesmo forneça ou retire energia do meio, porém para criar mecanicamente uma condição física com tal característica, também é uma tarefa muito difícil. Por estas razões não se conhece até a presente data, a existência de uma máquina de Camot real. É importante observar que mecanicamente trata-se de uma máquina muito difícil de realizar, mas pelos conceitos físicos é realizável, tanto que vale como base de avaliação de todas as demais tecnologias.

Algumas tentativas de novas soluções são encontradas, cujo objetivo está na aproximação das características da máquina ideal de Camot, observa-se tais características em patentes como a US20100313558 definida pelo autor como máquina de ciclo de Camot Modificada que usa como fonte fria um reservatório de gás líquido, e a patente US20110227347 definida pelo autor como uma máquina com ciclo intermediário entre a máquina de ciclo Stirling e a máquina de ciclo de Camot. No entanto a grande maioria permanece nas soluções fundamentadas apenas em conceitos de ciências mecânicas, assim os projetos mais modernos ainda mantém solidários os ciclos termodinâmicos do ciclo mecânico de movimento dos elementos de força motriz, tal característica inflexibiliza as soluções, mantendo aceitável praticamente um único ponto da curva potência versus energia. Algumas outras também são encontradas com melhorias na transferência térmica, como a patente US20100287936, baseadas em rotores de movimentação do gás de trabalho entre as zonas de calor e frio, no entanto as fronteiras de trocas das transformações termodinâmicas não são bem definidas, pois dependem das soluções mecânicas com o emprego de carnes, engrenagens, eixos, hastes para auxiliar na troca do gás nas respectivas zonas, e outras operam com volumes em câmaras essencialmente constantes, tendo uma ou mais câmaras completamente isoladas, limitando consideravelmente o desempenho. Desta forma, com tais características, a grande maioria das soluções existentes apenas operam com elementos de força motriz do tipo pistões, ou do tipo quasiturbine.

No intuito de aumentar o rendimento, alguns projetos baseados em máquinas que operam em altas temperaturas, permite combinar dois sistemas formando ciclos combinados, um exemplo é a turbina Brayton, cujo processo de transformação libera gases muito quentes de modo a permitir combinar com uma turbina do tipo Rankine, permitindo um sistema de ciclo combinado Brayton-Rankine. No entanto estes sistemas operam com combustíveis fósseis, exigem alta tecnologia de materiais para operar com câmaras de combustão acima de 1000 C.

Como observa-se acima, a maioria das tecnologias dependem de fontes de origem fóssil, altamente nocivas ao meio ambiente. Outras tecnologias de menor impacto ambiental ainda são limitadas economicamente, ou possuem limitações técnicas para larga escala, ou altas potências, ou dependem de condições geológicas ou atmosféricas muito especiais, neste último caso pode ser exemplificado as fontes eólicas e fluviais. A tecnologia desenvolvida, tema do presente texto de patente não se trata de uma máquina ideal, sem perdas, no entanto é uma máquina capaz de realizar com alta precisão as quatro transformações do ciclo termodinâmico de Camot, a partir de uma fonte térmica de qualquer natureza cuja energia é transportada para a máquina por meio de um fluido térmico, assim sendo, possui as principais características desejadas, a mesma trás benefícios de aplicação prática e econômica e conforme cada projeto, faixas de potência e das características das fontes de calor, poderá desempenhar rendimentos muito elevados, superando muito os 40% de outras máquinas consideradas de alto desempenho para fontes de temperaturas moderadas e acima de 60% para fontes de altas temperaturas. A presente invenção conta com ciências multidisciplinares, uso de conceitos de mecânica, eletrônica, especialmente sistemas com base em processadores dotados de lógicas de programas que monitoram e controlam atuadores de alta velocidade que a pouco tempo não existiam para aplicações práticas. Vale como exemplo as tecnologias híbridas utilizadas em automóveis, onde são combinados conceitos de mecânica e eletrônica com microprocessadores os quais trazem desempenhos significativamente melhores e tomam as máquinas flexíveis até mesmo com combustíveis distintos e diferentes concentrações energéticas.

Outro objetivo de importância singular é o emprego desta tecnologia em plantas de geração de energia de grande porte, flexíveis quanto às fontes térmicas, rendimento economicamente viável na relação energia gerada versus fonte térmica e com o mínimo impacto ambiental, como por exemplo a utilização de fontes térmicas limpas como a solar, termossolar, de baixo impacto ambiental como biocombustíveis e econômicos como o uso de resíduos e em plantas pré-existentes onde o mesmo opera pelas perdas de calor, formando sistemas de cogeração, ou ainda agregado a outras tecnologias formando processos mais complexos denominados ciclos combinados como por exemplo formando sistemas de ciclo Combinado Brayton-Carnot, utilizando como fonte de calor os gases a altas temperatura liberado pelas turbinas de ciclo Brayton, Rankine-Camot, cuja fonte de calor são as saídas de vapor dos últimos estágios das turbinas a vapor e gases das chaminés, Diesel-Carnot, cuja fonte de calor vem dos fluidos de refrigeração da máquina Diesel, Otto-Carnot, cuja fonte de calor vem dos fluidos de refrigeração da máquina de ciclo Otto, entre outros, ampliando significativamente o desempenho, uma vez que os processos de máquinas térmicas de ciclo Brayton, Rankine, Diesel, Otto, possuem muitas perdas térmicas impossíveis de serem aproveitadas pelos seus próprios ciclos termodinâmicos, sendo necessário sistemas mais eficientes alternativos para este aproveitamento.

Os objetivos, vantagens e demais características importantes da invenção em apreço poderão ser mais facilmente compreendidas quando lidas em conjunto com as figuras em anexo, nas quais: A figura 01 representa uma vista esquemática da máquina térmica.

As figuras 02 e 03 representam uma vista frontal e outra lateral da carcaça externa do conversor.

As figuras 04 e 05 representam uma vista frontal e outra lateral da tampa da carcaça.

As figuras 06 e 07 representam uma vista frontal e outra lateral do disco isolante com o canal de passagem do gás.

As figuras 08 e 09 representam uma vista frontal e outra lateral do disco estator.

As figuras 010 e 011 representam uma vista frontal e outra lateral do disco isolante térmico extremo do estator.

As figuras 012 e 013 representam uma vista frontal e outra lateral do disco do rotor. A figura 014 representa uma vista de topo e lateral do eixo central do rotor. A figura 015 representa os elementos que formam os conjuntos estator e rotor do conversor da máquina. A figura 016 representa uma vista em corte lateral do conversor, contendo o estator, o rotor e o servomotor da máquina térmica. A fígura 017 representa uma vista frontal do disco do rotor. A figura 018 representa uma vista em corte do conversor, mostrando os canais de distribuição do gás no interior das câmaras de transformação termodinâmicas. A figura 019 representa uma vista em corte lateral do conversor com as câmaras de transformações termodinâmicas e seus respectivos canais e o posicionamento dos discos estatores e rotores das câmaras do conversor.

As figuras 020, 021, 022 e 023 representam vistas em corte lateral do conversor com as câmaras de transformações termodinâmicas, o posicionamento dos discos estatores e rotores das câmaras do conversor e um gráfico que representa as transformações termodinâmicas, isotérmicas de alta e baixa temperatura e adiabáticas de expansão e contração do gás do sistema.

As figuras 024 e 025 representam vistas esquemáticas da máquina térmica onde são evidenciados todos os elementos essenciais. A figura 026 representa uma vista esquemática da máquina térmica na disposição completa. A figura 027 representa uma variante dos discos de transferência térmica do estator, dos discos do rotor e dos discos de isolamento térmico. A figura 028 representa vistas em corte lateral do conversor considerando a variante simplificada dos discos do estator e rotor representados na figura 027, com as câmaras de transformações termodinâmicas, o posicionamento dos discos estatores em relação aos discos rotores das câmaras do conversor para cada uma das transformações termodinâmicas do ciclo e um gráfico que representa as quatro transformações termodinâmicas do sistema. A figura 029 representa variantes do disco estator, evidenciando as placas de troca de calor e seus canais de fluído.

As figuras 030 e 031 representam uma vista frontal e em perspectiva do disco do rotor. A figura 032 representa uma vista em perspectiva da estrutura metálica que sustenta as placas de troca de calor do estator, este mesmo modelo de estrutura também é aplicado para sustentar as placas de isolamento térmico das extremidades do conversor. A figura 033 representa uma vista em perspectiva da estrutura metálica que sustenta o conjunto placas de isolamento térmico e placas vazadas para transporte do gás durante as transformações termodinâmicas do gás de trabalho. A figura 034 representam os gráficos com as transformações termodinâmicas.

As figuras 035, 036, 037 e 038 representam um fhixograma do processo de controle do ciclo termodinâmico conforme o ciclo de Camot.

As figuras 039 e 040 representam vistas esquemáticas da máquina térmica em uma versão mais detalhada e outra em versão em blocos evidenciando as conexões dos cabos de força e de controle.

As figuras 041, 042, 043 e 044 representam vistas esquemáticas da máquina térmica demonstrando as aplicações com processos combinados de ciclos termodinâmicos diferentes.

Como se inferem nos desenhos em anexos que ilustram e integram o presente relatório descritivo da invenção em apreço de "Máquina Térmica que Opera em Conformidade com o ciclo Termodinâmico de Camot e Processo de Controle”, trata-se de uma máquina que opera em conformidade com o ciclo termodinâmico de Carnot, sendo compreendido por uma máquina (1) em circuito fechado, formada por: um conversor (2) de transformação termodinâmica, composto por uma carcaça cilíndrica (9) fechada e isolada termicamente, onde em seu interior são dispostas duas câmaras termodinâmicas (22) e (23) paralelas entre si, cada câmara contendo uma pluralidade de discos estatores de troca de calor (12) e discos estatores isolantes (13) paralelos entre si e fixados a carcaça (9), e uma pluralidade de discos rotores (14) intermediários, fixados a um eixo central (15), dotado de canais internos (15A) de passagem e distribuição do fluído de gás entre as câmaras, sendo eixo rotacionado por um servomotor ou motor de passos (17), e corrigido angularmente por um elemento de indicação de rotação e posicionamento angular de precisão denominado encoder agregado ao motor (17); um elemento sensor de pressão ou transmissor de pressão (37) e (40) em cada um dos orifícios de saída de cada uma das câmaras (22) e (23) que realizam os ciclos termodinâmicos; um elemento sensor de temperatura (38) e (39) em cada um dos orifícios de saída de cada uma câmaras (22) e (23) que realizam os ciclos termodinâmicos; um módulo de controle de fluxo (3) dotado de tubulações e dois conjuntos de duas válvulas de fluxo (41), (42), (43) e (44) de duas vias de controle do processo, que interligam as saídas do gás de trabalho das câmaras termodinâmicas (22) e (23) as saídas e entradas do elemento de força motriz (7); um módulo de compressão (4), dotado de tubulações e válvulas (45), que interligam a saída da câmara (22) que forma uma parte do estator, a um elemento de compressão (46), chamado compressor à saída da segunda câmara (23) que fonna outra parte do estator; uma unidade de força motriz (7) independente que gera força para um gerador de energia (8), através da passagem do fluído térmico do gás do ciclo termodinâmico; uma unidade lógica de controle (5), com atuadores eletrônicos e um programa contendo o processo de controle de todos os elementos que compõe a máquina do ciclo termodinâmico (1); uma unidade que compreende um circuito de fluido térmico quente com reservatório (53) e bomba (54), interligados as câmaras termodinâmicas (22) e (23); uma unidade que compreende um circuito de fluido térmico frio com reservatório (55) e bomba (56), interligados as câmaras termodinâmicas (22) e (23). A figura 01 representa a máquina (1) com os seus principais módulos, o conversor (2); o sistema de válvulas (3); o sistema de compressão (4); a unidade microprocessada de controle (5) onde se encontra o programa que controla o processo e especialmente as transformações termodinâmicas; o módulo dos sensores (6), com os sensores de pressão (37) e (40), e temperatura (38) e (39); o elemento de força motriz (7); o gerador de energia (8); o reservatório de fluido quente (53); o reservatório de fluido frio (55); a bomba do fluido quente (54); e a bomba de fluido frio (56).

Nas figuras 02 e 03, são mostradas duas vistas da carcaça (9) em forma cilíndrica, a mesma deve ser de material resistente à pressão, normalmente em aço inoxidável. A mesma pode ser inteira, uma única peça ou bipartida longitudinalmente.

Nas figuras 04 e 05, são mostradas duas vistas da tampa da carcaça (10) a qual poderá conter um orifício central (10A) para alojamento ou passagem do eixo (15), confeccionada em material resistente a pressão, preferencialmente em aço inoxidável.

Nas figuras 06 e 07 são mostradas duas vistas do disco isolante (11) de material isolante térmico, contendo um canal de passagem de fluído (11A), e um orifício central vazado (11B), para o encaixe no eixo, e a condução do gás de trabalho da câmara de transformação termodinâmica para a parte externa dirigida para o elemento de força motriz.

Nas figuras 08 e 09 são mostrados duas vistas do disco do estator (12) que formam as unidades de troca de calor com o gás de trabalho que permanece confinado nos espaços vazados do disco do rotor (14). Este disco (12) é formado por um aro externo (12A) e um interno (12B) de material rígido, normalmente aço, e entre os aros, raias (12C) em formas de tiras dando uma forma de roda. Entre as raias são fixadas quatro placas isolantes (12D) de material isolante térmico, na mesma espessura dos aros e raias, duas placas de transferência de calor (12E) deslocadas entre si de 180 graus, emolduradas com material isolante térmico para isolar das raias e aros, duas placas de absorção de calor (12F) deslocadas entre si de 180 graus, também emolduradas com material isolante térmico para isolar as raias e aros. Cada um dos circuitos de circulação de fluido térmico das placas de troca de calor possui sua respectiva alimentação exclusiva a partir do reservatório ou fonte de frio ou calor, esta característica é importante para o desempenho da máquina e para projetos de máquinas de grande porte, passa a ser fundamental. O aro externo (12A) é fixado a carcaça e o interno (12B) não são fixados ao eixo do rotor, pois o eixo possui movimento livre.

Nas figuras 010 e 011 são mostradas duas vistas do disco do estator isolante térmico (13) que são montados nas extremidades de cada câmara entre os últimos discos de transferência térmica e a tampa da carcaça. Este disco é construído também com dois aros, um externo (13A) e um interno (13B) de material rígido, raias (13C) ligando ambos os aros dando a forma de roda, entre todas as raias são fixadas placas de isolamento térmico (13D), preenchendo completamente os vazios. O aro externo (13A) é fixado a carcaça e o interno (13B) não são fixados ao eixo para manter este livre para o giro.

Nas figuras 012 e 013 são mostradas duas vistas o disco do rotor (14) os quais são fixados no eixo (15). Estes discos tem a função de deslocar o gás de trabalho entre as regiões que executam as 4 transformações termodinâmicas. O disco é construído com um aro externo (14A) e um central (14B) de material rígido, oito raias (14C) de mesmo material e mesma largura dos aros, em seis dos oito espaços fracionados são fixadas placas de material isolante térmico (14D), mantendo completamente fechados, em dois dos semi círculos, de forma simétrica, são instalados duas peças de material isolante térmico, porém vazados (14E) de forma a criar um volume, espaço, onde se alojará o gás de trabalho da máquina.

Na figura 014 é mostrado o eixo central (15) no qual são fixados os discos do rotor, este eixo é provido de duas regiões com canais vazados (15A), permitindo que o gás de trabalho flua livremente dentro de sua respectiva câmara, entre os orifícios e zonas de troca de calor, este eixo é de material rígido e intemamente é revestido com material isolante térmico.

Na figura 015 são mostradas as duas câmaras com os conjuntos estator e rotor que formam o conversor (2), sendo evidenciados: o eixo central (15); a carcaça externa (9); as tampas (10), os discos do estator isolantes térmicos (13); os discos do estator de troca de calor (12) com suas respectivas zonas quentes, frias e isoladas; os discos do rotor (14) de deslocamento do gás de trabalho; os discos isolantes (11) com os orifícios (11 A) para a condução do gás para o lado externo; e a tampa divisória (16) que separa as duas câmaras. A figura 016 representa uma vista em corte lateral do conversor (2), que é o módulo compreendido por duas câmaras da máquina que opera conforme o ciclo de Carnot na disposição completa, onde são evidenciados a carcaça externa (9); as tampas (10); o eixo central (15); o servomotor (17) com encoder agregado, formando uma única peça; os conjuntos internos estatores e rotores, compostos pelos discos do estator isolantes térmicos (13); os discos do estator de troca de calor (12) com suas respectivas zonas quentes, frias e isoladas; os discos do rotor (14) de deslocamento do gás de trabalho; os discos isolantes (11) com os canais de passagem de fluído (1 IA) para a condução do gás para o lado externo; e o disco ou tampa divisória (16). A figura 017 mostra o disco do rotor (14) em detalhes, este, juntamente com o disco de troca de calor do estator, são os principais elementos que tomam possível a realização do ciclo de Carnot. O disco do rotor (14) é formado por uma roda de material rígido, normalmente aço, contendo um aro externo (14A) e um central (14B) interligados por raias (14C) de mesmo material, mesma largura, largura de alguns milímetros. O rotor possui oito áreas simétricas, destas, seis são completamente fechadas com material isolante térmico (14D) e duas também com peças de material isolante térmico, porém vazadas (14E) de forma a criar um volume onde o gás de trabalho realiza as quatro transformações térmicas durante o processo termodinâmico. A Figura 018 mostra o volume ocupado pelo gás nas câmaras de transformação termodinâmicas, (18) delimita a seção de uma das câmaras; (19) delimita a outra câmara, ambas operam com o ciclo de Carnot de forma diferencial. Os discos de rotor são indicados por (14). O volume disponível para o gás de trabalho é indicado em (20) em uma das câmaras e em (21) na outra câmara. Os orifícios e canais de saída do gás de cada câmara são indicados em (1 IA). A figura 019 é útil para compreender como esta máquina realiza o ciclo de Carnot, onde pode ser observado o conversor (2) da máquina com o detalhe das câmaras (22) e (23) de transformações termodinâmicas e a representação de seus respectivos canais (24) e (25). Nesta mesma figura deve ser considerado que os discos estatores (12) com placas de troca de calor que formam os estatores estejam todos alinhados de modo que as placas quentes de transferência de calor (12E) estejam todas alinhadas e paralelas entre si na máquina toda, bem como as placas frias de absorção de calor (12F) e as placas isolantes (12D). Por outro lado, os discos do rotor (14) na posição (26), estejam alinhados com suas áreas vazadas (14E), todas expostas às regiões quentes na câmara indicada em (22), ou seja, as áreas (14E) todas alinhadas e paralelas às placas (12E). De forma oposta, na câmara (23), os discos do rotor (14) na posição (27), estarão com as suas áreas vazadas (14E) alinhadas com as placas frias (12F). Nesta condição inicial, entende-se que o gás contido na câmara indicado por (22) esteja exposto completamente ao calor e o gás contido na câmara indicado por (23) esteja exposto todo ao frio. A partir desta condição inicial fica simples compreender como esta máquina opera, segue abaixo a descrição completa. O ciclo Termodinâmico de Carnot possui quatro transformações, duas isotérmicas e duas adiabáticas. Este é o ciclo da máquina ideal. No projeto da máquina de Carnot proposto, com rendimento menor que 100%, obviamente com perdas térmicas, o ciclo de Carnot é obtido da seguinte forma e pode ser bem compreendido através do fluxograma simplificado (76) do “looping” que controla as transformações termodinâmicas representado nas figuras 035, 036, 037 e 038 e também a potência demandada pela máquina mostradas nas curvas (74) e (75) da figura 034.

Transformação isotérmica de alta temperatura, representada na Fig. 020, definido no gráfico (30) pela curva C - D, com a temperatura Tl. O gás de trabalho, no ponto C da curva C - D do gráfico (30), se encontra sob compressão do processo anterior na câmara indicada por (22), as válvulas de escoamento, representadas na figura 024 por (41) e (44), todas fechadas, o disco do rotor (14) na posição (28), expondo o gás completamente nas zonas quentes dos discos do estator (12), a temperatura Tl é rapidamente atingida, favorecida pela geometria da câmara de aquecimento a qual possui grande área exposta para as placas quentes, com profundidade de penetração do fluxo de calor de alguns milímetros, caracterizando um diferencial importante frente a outras geometrias existentes, as demais fronteiras do gás todas isoladas termicamente. Ao atingir a temperatura Tl, a unidade de controle microprocessada (5) da figura 025, abre as válvulas (41) e (44) permitindo o gás a realizar trabalho até que seja detectado pela unidade de processamento (5) a pressão do ponto D da curva C - D do gráfico (30), neste ponto a unidade de controle fecha as válvulas (41) e (44). Durante toda a fase de transformação isotérmica, é mantido o fluxo de calor das fontes quentes para o gás, pois caso isto não ocorresse, a temperatura cairía e a pressão cairia mais que o desejado, prejudicando o desempenho da máquina. Nos processos que se deseja alta precisão da transformação isotérmica, pode ser utilizada uma realimentação de forma a modular o fluxo de fluido térmico, aumentando a vazão pela bomba (54) representada na figura 026 durante a fase C — D do ciclo. O fluido térmico transporta calor do reservatório (53) para as placas quentes, o gás de trabalho o retira, o fluido térmico retoma para o sistema de aquecimento com temperatura menor do que entrou na máquina, assim, modulando o fluxo durante a fase isotérmica, se obtém um diferencial positivo crescente da temperatura das placas compensando uma possível queda, melhorando esta transformação isotérmica. Durante esta transformação o gás se desloca da câmara (22) realizando trabalho no elemento de força motriz, normalmente uma turbina ou motor (7) e segue para a câmara (23).

Este processo de transformação isotérmica pode ser melhor compreendido através da lei de condução de Fourier: q” = - k . 0? i õx (W/m2) ou q” = - k . (Ta - Tb) / L (W/m2) Esta transformação isotérmica também é mostrada no fluxograma (76), nas figuras 035 e 036 é demonstrado pelas etapas (77), (78), (79), (80) e (81).

Portanto, para manter a transformação isotérmica, onde Tl do processo é igual a “Ta” da fórmula acima, basta manter o fluxo q” constante durante esta fase, a qual é facilitada pela geometria explicada logo acima, caso o sistema demandar mais energia basta modular o fluxo de fluido térmico de forma a acrescentar o valor da temperatura “Tb” nas placas de calor. O módulo de controle (5) do processo é capaz de realizar este controle.

Transformação adiabática de expansão, representada na Fig. 021, definido no gráfico (30) pela curva D - A. Neste ponto do ciclo, o servomotor (17) executa um movimento angular do disco do rotor (14) na posição (31), em alta velocidade, posicionando o volume de gás de trabalho da zona quente para a região isolada termicamente por todas as faces. Desta forma o gás não perde e nem recebe energia do ambiente. A unidade de controle abre a válvula (45) e ativa o compressor (46) representados na figura 024, aproveitando o diferencial residual da pressão da câmara (22) ou parte da energia do elemento de força motriz (7) para comprimir o gás de trabalho, deslocando-o da câmara (22) para a câmara (23). Nesta fase, com a expansão adiabática, a temperatura do gás muda de TI para T2 e a unidade de controle (5) torna a fechar a válvula (45) e desativar o compressor (46).

Esta transformação adiabática também é mostrada no fluxograma (76), na figura 036 é demonstrado pelas etapas (82), (83), (84) e (85).

Transformação isotérmica de baixa temperatura, representada na Fig. 022, definido no gráfico (30) pela curva A - B, com a temperatura T2. O gás de trabalho, no ponto A da curva A - B do gráfico (30), se encontra na máxima expansão do processo anterior na câmara indicada por (22), as válvulas de escoamento, (42) e (43), todas fechadas, o disco do rotor (14) na posição (33), expondo o gás completamente nas zonas frias do estator (12), a temperatura T2 é rapidamente atingida, favorecida pela geometria da câmara de resfriamento a qual possui grande área exposta para as placas frias, com profundidade de penetração do fluxo de calor, agora do gás para as placas, de alguns milímetros, as demais fronteiras do gás todas isoladas termicamente. Ao atingir a temperatura T2, a unidade de controle microprocessada (5) da figura 025, abre as válvulas (42) e (43) permitindo o gás agora a receber trabalho até que seja detectado pela unidade de processamento (5) a pressão do ponto B da curva A - B do gráfico (30), neste ponto a unidade de controle (5) fecha as válvulas (42) e (43). Durante toda a fase de transformação isotérmica, é mantido o fluxo de calor do gás para as fontes frias, pois caso isto não ocorresse, a temperatura subiría e a pressão subiria mais que o desejado, prejudicando o desempenho da máquina. Nos processos que se deseja alta precisão da transformação isotérmica, pode ser utilizada uma realimentação de forma a modular o fluxo de fluido térmico, aumentando a vazão pela bomba (56) representado pela figura 026 durante a fase A - B do ciclo, retirando mais calor do gás. O fluido térmico transporta calor das placas, retirando do gás, e os transporta para o reservatório (55), o fluido térmico retorna para o sistema de resfriamento com temperatura maior do que entrou na máquina, assim, modulando o fluxo durante a fase isotérmica, se obtém um diferencial negativo decrescente da temperatura das placas compensando um possível acréscimo, melhorando esta transformação isotérmica. Durante esta transformação o gás se desloca da câmara (23) realizando trabalho no elemento de força motriz (7) e segue para a câmara (22), inversamente à primeira transformação isotérmica, de alta temperatura.

Esta transformação isotérmica também é mostrada no fluxograma (76), nas figuras 037 e 038 é demonstrado pelas etapas (86), (87), (88), (89) e (90).

Transformação adiabática de compressão representada na Fig. 023, definido no gráfico (30) pela curva B ~ C. Neste ponto do ciclo, o servomotor (17) executa um movimento angular do rotor (14) na posição (35) em alta velocidade, posicionando o volume de gás de trabalho da zona fria do processo de transformação anterior, para a região isolada termicamente por todas as faces. Desta forma o gás não perde e nem recebe energia do ambiente. A unidade de controle abre a válvula (45) e ativa o compressor (46) representados na figura 024, aproveitando o diferencial residual da pressão da câmara (23) ou parte da energia do elemento de força motriz (7) para comprimir o gás de trabalho, deslocando-o da câmara (23) para a câmara (22). Nesta fase, com a compressão adiabática, a temperatura do gás muda de T2 para TI e a unidade de controle (5) toma a fechar a válvula (45) e desativar o compressor (46).

Esta transformação adiabática também é mostrada no fluxograma (76), na figura 038 é demonstrado pelas etapas (91), (92), (93) e (94).

Importante observar que nesta invenção, o ciclo Termodinâmico de Camot ocorre de forma diferencial, enquanto ocorre uma transformação na câmara (22), ocorre também uma semelhante e invertida na câmara (23).

Nas figuras 024 e 025 é representada a máquina com todos os elementos essenciais, sensores ou transmissores de pressão em (37) e (40), os sensores de temperatura (38) e (39), as válvulas de escoamento (41), (42), (43) e (44), a válvula de expansão e compressão (45) com o compressor (46) com uma seta interna indicando que o mesmo opera com o fluxo em duas direções, o elemento de força motriz, normalmente turbina, ou motor (7), a unidade microprocessada de controle (5), as linhas de controle dos sensores e atuadores, (47), (48), (49), (50), (51) e (52) o gerador de energia elétrica (8), o conversor (2) e o servomotor (17).

Na figura 026 são mostrados os reservatórios de fluido térmico quente (53), com sua respectiva bomba de recalque (54), o reservatório de fluido térmico frio (55) e respectiva bomba de recalque (56), as linhas de controle das bombas pela unidade microprocessada (57) e (60), e as linhas de controle dos reservatórios (58) e (59). O fluido térmico quente é aquecido por uma fonte térmica de qualquer natureza, por exemplo, solar, geotérmica, por combustíveis renováveis ou não, de origem atômica, entre outras, e posteriormente transportado para o reservatório (53) com isolação térmica, o fluido térmico frio é resfriado por uma fonte fria, por exemplo, água corrente, ar por convecção, no próprio solo como dissipador de calor, entre outras e posteriormente transportado para o reservatório (55) com isolação térmica.

Para as máquinas que operam a transformação adiabática na transição, ou seja, que não tenham as placas de isolamento térmico exclusivo, os discos do estator e do rotor possuem uma configuração com quatro semicírculos e não mais com oito. O conjunto de componentes que formam este nova configuração é representado na figura 027, em (61) a roda de material rígido, normalmente de aço, com dois aros interligados por quatro raias de mesmo material e mesma largura. Em (62) o disco de isolamento das últimas placas de troca de calor com a carcaça, é formado por uma roda confonne indicado por (61) preenchidas os quatro semi círculos por placas de material isolante térmico. Em (63) o disco do estator com as placas de troca de calor, com duas peças para as placas quentes isoladas da roda por meio de outra peça de material isolante térmico e com duas outras peças para as placas frias isoladas da roda por meio de outra peça de material isolante térmico. Em (64) o disco do rotor formado pela roda (61) com dois dos semi círculos preenchidos completamente por material isolante térmico e dois com material isolante térmico, porém vazados para alojar o gás de trabalho. O ciclo Termodinâmico de Camot realizado por uma máquina com a configuração de estator e rotor conforme representado na figura 028, opera as suas transformações adiabáticas na transição que em alguns casos estas transformações, na transição, poderá possuir características isocóricas e se aproximar das características de uma máquina Stirling. Em (65) é indicado o gás de trabalho exposto ao calor, realizando a fase isotérmica de alta temperatura conforme curva C - D do gráfico (69). Em (66) o gás está na transição, entre as regiões quentes e frias, nesta etapa o gás está em expansão absorvendo calor, no entanto o mesmo se desloca para a região fria e realiza a transformação D — A do gráfico (69). Em (67) é indicado o gás de trabalho exposto ao frio, realizando a fase isotérmica de baixa temperatura conforme curva A - B do gráfico (69). Em (68) o gás esta na outra transição, entre as regiões frias e quentes, nesta etapa o gás está em compressão liberando calor, no entanto o mesmo se desloca para a região quente e realiza a transformação B - C do gráfico (69).

Na figura 029 são representados novamente os discos do estator de troca de calor, (12) e (63), nas configurações com zona isolada e sem ela, para cada caso, seguem os modelos construtivos de cada placa de troca de calor por onde circula o fluido térmico, (70) para máquinas de pequeno porte, com um único canal de fluido térmico (F) por placa, e (71) para máquinas de maior porte com vários canais de fluido térmico (F) por placa. No entanto, conforme a potência o número de circuitos de circulação do fluido térmico (F) poderá ser aumentado, bem como o número de segmentos. Os canais de circulação do fluido térmico (F) são usinados diretamente na placa de troca de calor, normalmente metálica em alumínio, aço inox ou outra liga para obtenção de boa transferência térmica, e são usinadas em duas placas em versão espelhada e posteriormente soldadas e reusinadas extemamente. Estas placas podem ser fragmentadas em diversos segmentos conforme a dimensão do projeto requerer.

Nas figuras 030 e 031 são mostrados em maiores detalhes os discos do rotor (14) formados por um aro externo (14A); um aro interno (14B); oito raios (14C); seis dos oito espaços fracionados são fixadas placas de material isolante térmico (14D) mantendo completamente fechados; dois espaços fracionados dotados de duas peças de material isolante térmico, porém vazados (14E) de forma a criar um volume, espaço, onde se alojará o gás de trabalho das zonas de transformações termodinâmicas; um canal (14F) para o fluxo de gás; e a isolação térmica (14G) interna do eixo do rotor (15).

Na figura 032 é mostrado em detalhe a estrutura metálica que sustenta as placas de troca de calor do estator, indicando em (72) os orifícios por onde passam as conexões que permitem conectar os tubos do fluido térmico às placas de troca de calor. Em uma estrutura semelhante, não necessitando dos orifícios para as conexões, são montados os isolantes térmicos que fazem a isolação dos últimos discos do estator com as tampas das extremidades.

Na figura 033 é mostrado em detalhe a estrutura metálica que sustenta o conjunto placas de isolamento térmico e placas vazadas para transporte do gás durante as transformações termodinâmicas do gás de trabalho. Os furos 73 dão passagem ao gás de trabalho entre a área vazada e o segmento oco do eixo, mantendo a comunicação livre entre todas as áreas vazadas da respectiva câmara.

Na figura 034 são mostrados o gráfico com as transformações termodinâmicas novamente, retratando a relação “Pressão versus Volume”. Em (74) o gráfico base da descrição deste projeto, em (75), o exemplo de uma característica inovadora que o sistema eletrônico agregado, juntamente com a desvinculação do ciclo termodinâmico do ciclo mecânico oferece. Trata-se de uma evolução muito significativa que os sistemas com base no ciclo Stirling, o sistema mais próximo à Máquina de Carnot até então, não possuem, esta evolução toma a tecnologia mais flexível e operante em uma larga faixa na curva de potência. O controle das transformações, modulando no tempo a relação das transformações isotérmicas e adiabáticas, permite a conservação da energia quando o sistema opera com menor demanda, as áreas hachuradas indicam o trabalho que a máquina realiza em cada caso. O processo de como toma controlável a potência é melhor compreendida observando o fluxograma (76), especialmente as etapas (80) e (89).

As figuras 035, 036, 037 e 038 demonstram um fluxograma do processo que controla o ciclo termodinâmico de Camot com duas transformações isotérmicas e duas transformações adiabáticas através do fluxograma (76), onde são compreendidas as etapas de: - posicionar angularmente o rotor a 0o, expondo o gás da Câmara (22) na zona de aquecimento e o gás da Câmara (23) na zona de resfriamento (77); - aguardar o gás da câmara (22) atingir a pressão no valor máximo programado e o gás da câmara (23) atingir a pressão no valor mínimo (78); - abrir as válvulas de fluxo que conduzem o gás da Câmara (22) para a Câmara (23), passando pelo elemento de força motriz (79); - verificar se existe novo parâmetro de pressão, se positivo, introduzir, se negativo, manter, aguardar a pressão da Câmara (22) atingir o valor mínimo programado e aguardar a Câmara (23) atingir a pressão máxima programada (80); - fechar as válvulas de fluxo que conduzem o gás da Câmara (22) para a Câmara (23), passando pelo elemento de força motriz (81); - posicionar angularmente o rotor a 90°, expondo o gás da Câmara (22) na zona isolada termicamente e o gás da Câmara (23) também na zona isolada termicamente (82); - abrir a válvula de fluxo que conduz o gás da Câmara (22) para a Câmara (23), passando pelo compressor (83); - aguardar a Câmara (22) atingir a pressão mínima programada e aguardar a Câmara (23) atingir a pressão máxima programada (84); - fechar a válvula de fluxo que conduz o gás da Câmara (22) para a Câmara (23), passando pelo compressor (85); - posicionar angularmente o rotor a 180°, expondo o gás da Câmara (22) na zona de resfriamento e o gás da Câmara (23) na zona de aquecimento (86); - aguardar o gás da câmara (22) atingir a pressão no valor mínimo programado e o gás da câmara (23) atingir a pressão no valor máximo (87); - abrir as válvulas de fluxo que conduzem o gás da Câmara (23) para a Câmara (22), passando pelo elemento de força motriz (88); - verificar se existe novo parâmetro de pressão, se positivo, introduzir, se negativo, manter, aguardar a pressão da Câmara (22) atingir o valor máximo programado e aguardar a Câmara (23) atingir a pressão mínima programada (89); - fechar as válvulas de fluxo que conduzem o gás da Câmara (23) para a Câmara (22), passando pelo elemento de força motriz (90); - posicionar angularmente o rotor a 270°, expondo o gás da Câmara (22) na zona isolada termicamente e o gás da Câmara (23) também na zona isolada termicamente (91); - abrir a válvula de fluxo que conduz o gás da Câmara (23) para a Câmara (22), passando pelo compressor (92); - aguardar a Câmara (22) atingir a pressão máxima programada e aguardar a Câmara (23) atingir a pressão mínima programada (93); - fechar a válvula de fluxo que conduz o gás da Câmara (23) para a Câmara (22), passando pelo compressor (94);

Terminado o ciclo descrito acima, o processo se repete continuamente fazendo a máquina operar conforme o ciclo de Camot. O melhor resultado não ocorre necessariamente com a realização precisa de cada uma das transformações das fases do ciclo de Carnot, isotérmicas e adiabáticas, mas com a melhor relação entre a energia obtida na saída do sistema e a quantidade de energia térmica fornecida a ele. Desta forma, a presente invenção propõe uma unidade de controle e processamento inteligente, com pontos de controle para o processo e pontos de medições das diversas grandezas. O modelo circular simétrico do rotor e das placas do estator, bem como a disponibilização das placas de troca de calor, permite alta flexibilidade juntamente com a unidade microprocessada de controle, permitindo à máquina se ajustar por meio de rotinas de programação, ao melhor ponto de desempenho possível, viabilizando processos de máquinas de grande porte, com inércia maior, sem paradas e processos com máquinas com rotor de baixa inércia com movimentação discreta e precisas angularmente.

Nas figura 039 e 040, permite compreender outra característica muito importante, principalmente para aplicações aeroespaciais, na figura 039 a máquina com os elementos principais, de forma que (95) representa o conjunto reservatório de fluido quente (53) e sua respectiva bomba (54), (96) representa o conjunto reservatório de fluido frio (55) e sua respectiva bomba (56), logo abaixo na figura 040, a máquina com todos os elementos em blocos (99) preservando suas numerações de referência dos elementos principais, de modo que procura-se caracterizar que não existe nenhum elemento mecânico móvel, seja êmbolos, pistões, eixos, absolutamente nenhum elemento que faça a fronteira entre o gás de trabalho e o ambiente externo que possa gerar vazamentos. Esta é uma propriedade do sistema proposto com suas transformações termodinâmicas conforme o ciclo de Camot diferencial, em 97 é mostrado o fluxo do gás de trabalho passando pelo elemento de força motriz, o gerador de energia elétrica (8), fixo solidariamente ao elemento de força motriz (7), todo o conjunto completamente blindado. As conexões para controle dos elementos sensores, elementos atuadores e para as saídas de energia são por meio de conexões elétricas ou tomadas blindadas (100). Indicado por (98) a tomada de saída da energia elétrica gerada.

Todas as máquinas térmicas não ideais convertem apenas uma fração da energia em força mecânica, parte da energia recebida da fonte primaria, combustível ou outra fonte térmica é liberada ao ambiente em forma de calor em maior ou menor quantidade dependendo do seu ciclo de transformações termodinâmicas, por exemplo: uma turbina a gás de ciclo Brayton possui uma combustão interna que gera gases a temperaturas superiores a 1000 °C, convertem parte da energia em força mecânica sobre as turbinas e liberam gases muito quentes ao ambiente, estes na ordem de 500°C a 600°C ou mais. Uma turbina a vapor de ciclo Rankine de modo geral operam com temperaturas entre 400°C e 800 °C, perdem energia na elevação da temperatura da água, na transformação de fase, nas chaminés e no retomo do vapor para a condensação após o último estágio da turbina, motores de ciclo Diesel e ciclo Otto, de combustão interna, de forma semelhante à de ciclo Brayton também liberam gases à altas temperaturas que perdem ao ambiente pela carcaça da própria máquina que deve ser mantida a temperaturas seguras pelos fluidos de refrigeração. Entre outras máquinas térmicas, todas estas podem ser agregadas ao conversor, tema desta patente, para criar ciclos combinados e assim otimizar o desempenho geral da conversão da energia provinda da fonte primária. Isto é possível pelo fato deste conversor operar inclusive com baixos diferenciais de temperatura.

Nas figuras 041, 042, 043 e 044, são mostradas aplicações com processos combinados de ciclos termodinâmicos diferentes, os sistemas de energia ou força formado por turbinas a gás tipo Brayton liberam na atmosfera gases muito quentes após a combustão, grandes massas de gases em temperaturas entre 500°C e 600°C aproximadamente, que representam grandes quantidades de energia desperdiçadas. O conversor termomecânico de ciclo de Camot pode aproveitar esta energia descartada da turbina para realizar uma conversão de ciclo de Camot adicionando potência no mesmo eixo da turbina principal elevando o rendimento do conjunto para valores superiores a 60%, assim o sistema se toma um conjunto de ciclo combinado Brayton-Camot conforme mostrado em (101) e na figura 041.

Na figura 042, em (102) é demonstrado o diagrama básico de um ciclo combinado Rankine-Camot, neste processo, após o último estágio de turbinas, vapores com temperaturas entre 100°C e 200°C perdem energia ao ambiente e no processo de condensação, esta energia é transferida para o conversor tema desta patente realizar uma nova conversão termomecânica adicionando potência ao mesmo eixo de força, maximizando o rendimento do conjunto, tomando-se um ciclo combinado Rankine-Camot (102).

Na figura 043, em (103) é demonstrado o diagrama básico de um ciclo combinado Diesel-Camot, neste processo, o motor de ciclo Diesel libera após a fase de explosão sobre o pistão no interior do cilindro, gases ainda muito quentes cujo calor se propaga para a carcaça do motor e para o escapamento, esta energia em forma de calor pode ser transferida por meio de fluídos de resfriamento da máquina para o circuito que forma o conversor termomecânico, permitindo a execução de mais uma transformação termodinâmica com transferência de força para o mesmo eixo, criando um novo sistema mais eficiente chamado ciclo combinado Diesel-Camot (103).

Na figura 044, em (104) é demonstrado o diagrama básico de um ciclo combinado Otto-Camot, neste processo, o motor de ciclo Otto libera após a fase de explosão sobre o pistão no interior do cilindro, gases ainda muito quentes cujo calor se propaga para a carcaça do motor e para o escapamento, esta energia em forma de calor pode ser transferida por meio de fluidos de resfriamento da máquina para o circuito que forma o conversor termomecânico, permitindo a execução de mais uma transformação termodinâmica com transferência de força para o mesmo eixo, criando um novo sistema mais eficiente chamado ciclo combinado Otto-Camot (104).

As características reunidas da presente invenção que em resumo são: geometria dos elementos de transferência de calor para o gás, modelo de isolamento e de concentração do calor no interior das câmaras, processo de transformações termodinâmicas conforme o ciclo de Carnot diferencial, com fluxo do gás de trabalho passando de uma câmara à outra e um sistema de controle eletrônico microprocessado, juntamente com os elementos sensores do processo, temperatura, pressão e posição angular, confere a esta máquina um desempenho superior, permitindo projetos de máquinas de grande porte na geração de energia elétrica para suprir grandes regiões consumidoras, para uso comercial em larga escala, com o emprego de múltiplas fontes térmicas, em especial a termossolar, permitindo inclusive sistemas operantes com baixos diferenciais de temperatura entre as fontes quentes e frias a partir de aproximadamente 50 Kelvin, Pelas características da inovação proposta com o emprego de unidade de controle eletrônico e servoacionamentos, permite seu emprego em substituição a motores para uso em veículos.

Sua característica operacional de ciclos termodinâmicos independentes do ciclo mecânico da força motriz permite projetos que tenham como princípio de força motriz a pressão de gás e também fluxo de gás, favorecendo projetos tanto com pistões como com turbinas ou outro elemento de força motriz.

Conforme a descrição acima, esta invenção propõe inovação substancial para os futuros sistemas de energia, agora com base na teoria termodinâmica de Sadi Camot, considerado o modelo ideal para transformar energia térmica em trabalho. Tem como objetivos a sua aplicação em plantas de geração de energia tendo como fonte básica, a energia termossolar e como complementos, as fontes térmicas de origem geológica, biocombustíveis e também em casos especiais ou para complemento os combustíveis de origem fóssil e até mesmo a nuclear.

Conclui-se que se trata de uma tecnologia que reúne uma flexibilidade incomum e, portanto trará benefícios em conformidade com os padrões que se buscam na atualidade.

Claims (31)

1.) "MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT" trata-se de uma invenção que utiliza os princípios básicos do ciclo termodinâmico de Camot, sendo a máquina térmica caracterizada por compreender um circuito fechado, formado por: um conversor de energia que realiza transformações termodinâmicas, composto por uma carcaça cilíndrica fechada e isolada termicamente, onde em seu interior são dispostas duas câmaras termodinâmicas concêntricas, porém com operações de transformações termodinâmicas diferenciais promovida pela defasagem em 180°, cada câmara contendo uma pluralidade de discos estatores de troca de calor e discos estatores isolantes paralelos entre si e fixados a carcaça, e uma pluralidade de discos intermediários vazados que formam o rotor, fixados a um eixo central, dotado de canais internos de passagem e distribuição do fluído de gás entre as áreas vazadas dos discos estatores em cada câmara, sendo eixo rotacionado por um servomotor ou motor de passos, e controlado angularmente por um elemento sensor de indicação de rotação e posicionamento angular de precisão denominado encoder agregado ao servomotor ou motor de passos; um elemento sensor de pressão ou transmissor de pressão em cada um dos orifícios de saída de cada uma câmaras que realiza os ciclos termodinâmicos; um elemento sensor de temperatura em cada um dos orifícios de saída de cada uma câmaras que realiza os ciclos termodinâmicos; um módulo de controle de fluxo dotado de tubulações e dois conjuntos de válvulas de fluxo de duas vias de controle do processo, que interligam as saídas do gás de trabalho das câmaras de transformações termodinâmicas às saídas e entradas do elemento de força motriz; um módulo de compressão, formado por dutos, compressor, válvulas, que interligam a saída de uma das câmaras à saída da segunda câmara uma unidade de força motriz independente que gera força para um gerador de energia ou para disponibilizar força mecânica de tração, que opera através da passagem do fluído térmico do gás do ciclo termodinâmico; uma unidade lógica de controle, com atuadores eletrônicos e um programa contendo o processo de controle de todos os elementos que compõe a máquina térmica; uma unidade que compreende um circuito de fluido térmico quente com reservatório e bomba, interligados as câmaras termodinâmicas; uma unidade que compreende um circuito de fluido térmico frio com reservatório e bomba, interligados as câmaras termodinâmicas.

2. "MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT" de acordo com a reivindicação 1 é caracterizado pelos discos rotores possuírem raias de material rígido e aros internos de fixação ao eixo e aros externos interligados pelas raias divididos em oito semi círculos simétricos, com seis deles completamente preenchidos com material isolante térmico e dois deles com material isolante térmico porém vazados de forma ) a criar um volume a ser tomado pelo gás de trabalho, deixando expostas as duas maiores áreas para fazer fronteiras totalmente com as zonas de transferência de calor ou de isolamento, cada uma necessária para realizar as respectivas transformações do ciclo termodinâmico.

3. "MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT” de acordo com a reivindicação 2 é caracterizado por uma variante do disco rotor possuir raias de material rígido e aros internos de fixação ao eixo e aros externos interligados pelas raias divididos em quatro semi círculos simétricos, com dois deles completamente preenchidos com material isolante térmico e dois deles com material isolante térmico porém vazados de forma a criar um volume a ser tomado pelo gás de trabalho, deixando expostas as ; duas maiores áreas para fazer fronteiras totalmente com as zonas de transferência de calor, para máquinas com transitório direto entre as isotérmicas, regiões de transferência de calor quentes e frias.

4. "MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT" de acordo com a reivindicação 1 é ) caracterizado pelos canais internos do eixo central serem revestidos intemamente com material isolante térmico.

5. "MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT” de acordo com a reivindicação 1 é caracterizada por possuir um servomotor ou motor de passos dotado de controle de rotação e de posicionamento angular de acionamento elétrico conectado no eixo do rotor.

6. "MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT” de acordo com a reivindicação 1 é caracterizada pelo elemento sensor ou encoder de indicação da rotação e de posição angular ser conectado ao eixo de forma direta ou indireta.

7. "MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT” de acordo com as reivindicações 1 a 6 é caracterizado pelo rotor servoacionado que é formado pelo eixo central, dois conjuntos de discos rotores, um servomotor ou motor de passos e o sensor de posição angular e rotação, permitir o controle das quatro transformações termodinâmicas de Camot.

8. "MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT” de acordo com a reivindicação 7 é caracterizado pelo rotor servoacionado possuir dois conjuntos de discos, cada um ocupando sua respectiva câmara que formam o sistema de dois estatores, montados defasados, assim permitindo o processo de controle das transformações termodinâmicas conforme o ciclo de Camot de modo diferencial.

9. "MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT” de acordo com a reivindicação 1 é caracterizado pelos discos isolantes que formam as partes extremas dos estatores serem formados por discos com raias de material rígido e aros internos não fixados ao eixo, livres, e aros externos fixos à carcaça interligados pelas raias divididos em semi círculos simétricos, com todos os semi círculos completamente preenchidos com material isolante térmico, isolando os últimos discos de transferência de calor com as extremidades da carcaça externa da máquina.

10. "MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT” de acordo com a reivindicação 1 é caracterizada pelos discos que formam as partes de troca de calor dos estatores, serem formados por discos com raias de material rígido e aros internos não fixados ao eixo, livres, e aros externos fixos à carcaça interligados pelas raias divididos em oito semi círculos simétricos, com quatro deles completamente preenchidos com material isolante térmico, dois deles com placas de transferência térmica quente inseridos em peças de material isolante térmico os quais fazem fronteira com os aros e raias, dois deles com placas de transferência térmica fria, também inseridas em peças de material isolante térmico e estes discos possuem suas faces maiores não isoladas, completamente expostas ao gás de trabalho ou às faces de material isolante do rotor, de acordo com a posição angular das transformações termodinâmicas do processo.

11. "MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT” de acordo com a reivindicação 10 é caracterizado por uma variante dos discos de troca de calor dos estatores, serem formados por discos com raias de material rígido e aros internos não fixados ao eixo, livres, e aros externos fixos à carcaça interligados pelas raias divididos em quatro semi círculos simétricos, com dois deles com placas de transferência térmica quente inseridos em peças de material isolante térmico, os quais fazem fronteira com os aros e raias, dois deles com placas de transferência térmica fria, também inseridas em peças de material isolante térmico, para máquinas com transitório direto entre as isotérmicas. E estes discos possuem suas faces maiores não isoladas, completamente expostas ao gás de trabalho, de acordo com a posição angular das transformações termodinâmicas do processo.

12. "MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT” de acordo com as reivindicações 10 e 11 é caracterizada por possuir nos discos de troca de calor dos estatores, placas de transferência de calor quentes e frias construídas em material metálico, bom condutor térmico, constituídos de um ou mais circuitos de circulação de fluido térmico e cada um destes circuitos possui alimentação exclusiva e diretamente dos respectivos reservatórios ou fontes de calor ou frio.

13. "MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT” de acordo com as reivindicações 1, 9, 10, 11 e 12 é caracterizada por possuir um corpo formando um sistema de dois estatores que caracterizam duas câmaras formadas por carcaça, discos de transferência de calor, discos isolantes térmicos, formando o conjunto no qual permite que o rotor execute o controle das quatro transformações termodinâmicas de Carnot de modo diferencial.

14. "MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT” de acordo com a reivindicação 1 é caracterizado por possuir um conjunto de válvulas, formando um sistema de controle de fluxo de gás o qual através da unidade de controle eletrônica computadorizada, possibilita o controle dos pontos de transição do processo das quatro transformações termodinâmicas do ciclo de Camot.

15. "MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT” de acordo com a reivindicação 1 é caracterizada por possuir um conjunto de sensores, formando um sistema de monitoramento de pressão e temperatura o qual através da unidade de controle eletrônica computadorizada, possibilita identificar os pontos para envio de sinais de controle do sistema de válvulas e do rotor auxiliares do processo das quatro transformações termodinâmicas do ciclo de Camot.

16. "MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT” de acordo com a reivindicação 1 é caracterizado pela unidade de controle eletrônica computadorizada possuir canais de entradas analógicas de leituras de pressão, temperatura, canais de entradas digitais para leitura de rotação e posição angular do rotor, canais de saída digitais para controle das válvulas, sinais de controle analógico ou por rede de sinais para o controle linear das bombas, com um programa flexível que controla o processo.

17. "MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT” de acordo com a reivindicação 1 é caracterizada pelo elemento de força motriz, para máquinas de alta rotação possuir uma turbina que opera com fluxo de gás, cujo eixo e operação são independentes do rotor que opera as transformações termodinâmicas.

18. "MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT” de acordo com a reivindicação 1 é caracterizado pelo elemento de força motriz, para máquinas de rotação baixa e média, possuir um elemento mecânico que opera pelo processo de pressão, pistões, cujo eixo e operação são independentes do rotor que opera as transformações termodinâmicas.

19. "MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT” de acordo com a reivindicação 1 é caracterizada pela máquina térmica operar com um fluido térmico que transporta calor, o qual pode operar com fontes térmicas de quaisquer naturezas, termossolar, termonuclear, geotérmica, por combustíveis renováveis, por resíduos combustíveis ou por combustíveis não renováveis, inclusive do calor expelido de outras máquinas e processos.

20. "MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT” de acordo com a reivindicação 1 e 19 é caracterizado por operar com fontes térmicas de quaisquer naturezas isoladamente ou em consórcio.

21. "MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT” de acordo com a reivindicação 1, 19 e 20 é caracterizada por operar com fontes térmicas de quaisquer naturezas, incluindo as energias térmicas expelidas ou liberadas por outras máquinas, gases a altas temperaturas liberadas por turbinas que operam por ciclo Brayton, propiciando sistemas combinados de ciclo Brayton-Camot.

22. "MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT” de acordo com a reivindicação 1, 19 e 20 é caracterizada por operar com fontes térmicas de quaisquer naturezas, incluindo as energias térmicas expelidas ou liberadas por outras máquinas,, vapores quentes da saída dos últimos estágios das turbinas que operam por ciclo Rankine, propiciando sistemas combinados de ciclo Rankine-Camot.

23. "MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT” de acordo com a reivindicação 1, 19 e 20 é caracterizada por operar com fontes térmicas de quaisquer naturezas, incluindo as energias térmicas expelidas ou liberadas por outras máquinas por meio de fluidos de refrigeração de motores de ciclo Diesel, propiciando sistemas combinados de ciclo Diesel-Camot.

24. "MÁQUINA TÉRMICA QUE OPERA EM CONFORMIDADE COM O CICLO TERMODINÂMICO DE CARNOT” de acordo com a reivindicação 1, 19 e 20 é caracterizada por operar com fontes térmicas de quaisquer naturezas, incluindo as energias térmicas expelidas ou liberadas por outras máquinaspor meio de fluidos de refrigeração de motores de ciclo Otto, propiciando sistemas combinados de ciclo Otto-Camot.

25. "PROCESSO DE CONTROLE” que controla as quatro transformações termodinâmicas, sendo duas transformações isotérmicas e duas transformações adiabáticas em conformidade com o ciclo de Carnot é caracterizado por ser controlado por um dispositivo lógico com um programa que executa sequencialmente e sincronizadamente estas quatro transformações sendo uma transformação isotérmica de alta temperatura, onde o rotor mantém o gás exposto às placas de alta temperatura e na qual o gás expande, realizando trabalho no elemento de força motriz, normalmente uma turbina ou motor, na sequência com o movimento angular do rotor, uma transformação adiabática, onde o rotor mantém o gás exposto às placas de isolante térmico e na qual o gás não troca calor com o meio, porém baixando sua temperatura, conservando a energia, na sequência com outro movimento angular do rotor, uma transformação termodinâmica isotérmica de baixa temperatura, onde o rotor mantém o gás exposto às placas de baixa temperatura e na qual o gás se contrai, recebendo trabalho da turbina ou motor, novamente na sequência com outro movimento angular do rotor, uma transformação termodinâmica adiabática, onde o rotor mantém o gás novamente exposto às placas de isolante térmico, e na qual o gás não troca calor com o meio, porém aumentando a temperatura, conservando a energia, encerrando um ciclo completo de Carnot.

26. "PROCESSO DE CONTROLE” de acordo com a reivindicação 25 é caracterizado por possuir no processo o ciclo termodinâmico de quatro fases, duas isotérmicas e duas adiabáticas, independente do ciclo mecânico de força motriz.

27. "PROCESSO DE CONTROLE” de acordo com as reivindicações 25 e 26 é caracterizado por possuir no processo o controle do fluxo do gás de trabalho por meio de válvulas de duas vias controladas eletronicamente, abrindo as válvulas permitindo o fluxo do gás passando pelo elemento de força motriz durante o processo das transformações isotérmicas e passando pelo compressor durante o processo das transformações adiabáticas.

28. "PROCESSO DE CONTROLE” de acordo com a reivindicação 25 é caracterizado por possuir no processo, o controle de transição de cada uma das quatro fases termodinâmicas por meio eletrônico, através dos sinais de leituras dos elementos sensores de pressão e de temperatura, os quais determinam ao programa os respectivos momentos de acionamento das válvulas e do movimento do rotor servocontrolado.

29. "PROCESSO DE CONTROLE” de acordo com a reivindicação 25 é caracterizado por possuir um processo de quatro transformações termodinâmicas conforme o ciclo de Carnot, com potência controlável, modulando as transformações isotérmicas e adiabáticas, por um método de controle do tipo “duty cycle”, permitindo maior fluxo de energia durante as transformações isotérmicas gerando mais trabalho ou potência, encurtando as transformações adiabáticas, ou ao contrário, encurtando as transformações isotérmicas propiciando menos trabalho ou potência e aumentando as fases das transformações adiabáticas, conservando mais energia.

30. "PROCESSO DE CONTROLE” de acordo com as reivindicações 25 e 26 é caracterizado por possuir no processo a realização de trabalho controlado eletronicamente que opera através do fluxo do gás de trabalho de uma câmara para a outra ciclicamente, não importando se o elemento gerador de força motriz seja operante por pressão ou fluxo, como pistões ou turbina.

31. "PROCESSO DE CONTROLE” de acordo com a reivindicação 25 é caracterizado por possuir no processo o controle por meio de rotinas de lógicas de programa de controle das quatro fases do ciclo de Carnot da seguinte forma: nas fases isotérmicas do ciclo termodinâmico, o programa mantém o rotor estático expondo o gás de trabalho completamente às zonas quentes e frias respectivamente em cada uma das câmaras, permitindo o gás a realizar trabalho no motor ou turbina, porém as fases adiabáticas ocorrem durante a transição do movimento do rotor o qual neste caso desloca o gás diretamente de uma zona quente para a fria ou vice versa nas máquinas que são projetadas sem a região isolada.