BRPI0611386A2 - motores acionados por gás liquefeito - Google Patents
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Abstract
A presente invenção refere-se a um motor acionado por gás liquefeito, tal como nitrogênio ou ar, o dispositivo de entrada (31, 33) admite fluido de acionamento para uma câmara de expansão definida pelo volume entre dois membros relativamente móveis (1,28) guiados para movimento em um ciclo repetitivo pelo dispositivo guia (38, 40). O dispositivo de entrada também permite a admissão de um líquido de transferência de calor para a câmara, na qual o líquido está em contato íntimo com o fluido de acionamento e fornece energia térmica para o fluido de acionamento de expansão. O líquido de transferência de calor resfriado é retirado da câmara, aquecido e recirculado para a câmara. Parte do dito ciclo inclui um período de tempo durante o qual não há substancialmente nenhum movimento relativo entre os membros (1, 28) e durante o qual o volume da câmara é mantido no ou próximo ao seu volume mínimo, o líquido de transferência de calor e o fluido de acionamento sendo admitidos para a câmara durante o dito período de tempo. Isso produz contato íntimo e a permuta térmica entre o fluido de acionamento e o liquido de transferência de calor antes do curso de acionamento que libera a energia de eixo desenvolvida pelo motor.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MOTORESACIONADOS POR GÁS LIQÜEFEITO".
A presente invenção refere-se a motores acionados por gás liqüefeito.
Em um motor conhecido desse tipo, o nitrogênio líquido é admi-tido para uma câmara de expansão. O nitrogênio se expande e aciona umpistão ou rotor dentro da câmara para produzir energia de eixo. A expansãodo nitrogênio ocasiona resfriamento e o próprio efeito de resfriamento limitao potencial de expansão do gás. Como resultado, a eficiência dos motoresconhecidos é baixa, e tentou-se resolver esse problema no Relatório da Pa-tente WO 01/63099. A presente invenção tem como objetivo, além disso,aperfeiçoar a eficiência dos motores acionados por gás liqüefeito.
De acordo com um aspecto da invenção, um motor compreendeuma câmara de expansão definida pelo volume entre dois membros relati-vãmente móveis guiados para movimento em um ciclo repetitivo por disposi-tivo guia, dispositivo de entrada para admitir para a câmara um fluido de a-cionamento em uma condição refrigerada, e também para admitir para acâmara um líquido de transferência de calor, dispositivo de saída para retiraro líquido de transferência de calor, em um estado resfriado, proveniente dacâmara e permutador de calor para aumentar a temperatura do líquido detransferência de calor retirado antes da recirculação do líquido de transfe-rência de calor através da câmara, onde parte do ciclo inclui um período du-rante o qual não há substancialmente nenhum movimento relativo entre osmembros e durante o qual o volume da câmara é mantido no ou próximo aoseu volume mínimo, em uso o líquido de transferência de calor e o fluido deacionamento sendo admitidos para a câmara durante o dito período e o flui-do de acionamento então se expandindo para aumentar o volume da câmarae o líquido de transferência de calor fornecendo energia térmica para a ex-pansão do fluido de acionamento, a expansão do fluido de acionamento o-casionando a geração da energia de eixo pelo motor.
De acordo com outro aspecto da invenção, é proporcionado ummétodo de geração de energia de eixo proveniente de um fluido de aciona-mento em uma condição refrigerada, compreendendo admitir o fluido de a-cionamento para uma câmara de expansão definida pelo volume entre doismembros relativamente móveis guiados para movimento em um ciclo repeti-tivo por dispositivo guia, permitindo que o fluido de acionamento se expandana câmara para produzir energia de eixo, onde um líquido de transferênciade calor é adicionalmente admitido para a câmara onde o líquido de transfe-rência de calor fornece energia térmica para a expansão do fluido de acio-namento, o líquido de transferência de calor resfriado sendo retirado da câ-mara, aquecido e recirculadò para a câmara, onde parte do ciclo inclui umperíodo de tempo durante o qual não há substancialmente nenhum movi-mento relativo entre os membros e durante o qual o volume da câmara émantido no ou próximo ao seu volume mínimo, e onde o líquido de transfe-rência de calor e o fluido de acionamento são admitidos para a câmara du-rante o dito período.
A introdução do fluido de acionamento e do líquido de transfe-rência de calor na câmara ao mesmo tempo em que o último é mantido noou próximo ao seu volume mínimo por um período de tempo limitado promo-ve o contato íntimo e a permuta térmica entre o fluido de acionamento e olíquido de transferência de calor antes do curso de acionamento que libera aenergia do eixo.
Preferivelmente, os membros relativamente móveis compreen-dem um cilindro e um pistão alternável no cilindro, o pistão sendo mantido naou próximo à sua posição de centro inativo durante o dito período de tempo.
O dispositivo guia pode incluir um carne e um seguidor de carne,e nesse caso o perfil do carne inclui, de preferência, uma parte parcialmentecircular que está centralizada no eixo geométrico giratório do carne ou acimado qual o seguidor de carne percorre durante o dito período de tempo quepode ser entre um terço e meio do tempo para um ciclo. Na modalidade pre-ferida o ciclo é um ciclo de dois cursos.
De acordo com um aspecto adicional da invenção, um motorcompreende uma câmara de expansão, dispositivo de entrada para admitirum fluido de acionamento em uma condição refrigerada para a câmara, etambém para admitir para a câmara um líquido de transferência de calor,dispositivo de saída para retirada do líquido de transferência de calor, em umestado resfriado, proveniente da câmara e um permutador de calor para au-mentar a temperatura do líquido de transferência de calor retirado antes darecirculação do líquido de transferência de calor através da câmara, em usoo fluido de acionamento expandido na câmara e o líquido de transferência decalor fornecendo energia térmica para o fluido de acionamento em expan-são, a expansão do fluido de acionamento ocasionando a geração de ener-gia de eixo pelo motor, onde o dispositivo de entrada inclui uma bomba parabombear o líquido de transferência de calor para a câmara.
Por meio do uso de uma bomba, o líquido de transferência decalor pode ser injetado na câmara em uma pressão e volume para otimizar odesempenho do motor. Especificamente, o uso de uma bomba acelera oprocesso de injeção e assegura que a câmara seja cheia.
O líquido de transferência de calor está preferivelmente na oupróximo à temperatura ambiente quando é suprido para a câmara.
O fluido de acionamento é preferivelmente nitrogênio liqüefeitoou ar ou, menos preferível, dióxido de carbono liqüefeito, ou uma misturadesses ou de outros gases.
Será agora descrita uma modalidade preferida da invenção, àguisa de exemplo, com referência aos desenhos que a acompanham, nosquais:
a figura 1 é uma vista diagramática de um motor giratório de a-cordo com a invenção.
as figuras de 2 a 4 ilustram o motor em tempos diferentes no seuciclo de operação, e
as figuras de 5 a 8 ilustram partes móveis do motor, para umaescala ampliada, em tempo diferente no seu ciclo de operação.
Em todos os desenhos, partes correspondentes mostram asmesmas referências numéricas.
Com relação à figura 1, o motor é dotado de um cilindro 1 dentrodo qual está um pistão alternável 28. A câmara 3 definida entre o pistão e ocilindro varia em volume à medida que o pistão é submetido ao seu ciclo dedois cursos repetitivo.
Um tanque de armazenamento pressurizado 2 retém um supri-mento do fluido de acionamento na forma de nitrogênio líquido em torno de-200°C. O nitrogênio líquido é alimentado para a câmara 3 através de umtubo de suprimento 4 e de um dispositivo de controle de fluxo 30, por exem-plo, uma válvula giratória. O primeiro dispositivo de entrada 31 admite o ni-trogênio líquido para a câmara 3. Um líquido de transferência de calor, talcomo glicol etileno, também é suprido para a câmara 3 através de um se-gundo dispositivo de entrada 33 alimentado por um tubo de suprimento 9retirando o líquido de transferência de calor de um reservatório 18. O tubo desuprimento 9 inclui uma bomba 36 para a liberação de líquido de transferên-cia de calor para a câmara 3 na pressão desejada. O líquido de transferênciade calor é retirado da câmara 3 através de um tubo de retorno 16 que retor-na o líquido de transferência de calor para o reservatório 18. Nessa passa-gem do reservatório 18 para a câmara 3, o líquido de transferência de calorpassa através de um permutador térmico 20 provido de uma pluralidade denervuras.
A parte superior do cilindro 1 é dotada de uma válvula de entra-da 32 para admissão de nitrogênio liqüefeito e do líquido de transferência decalor para a câmara 3, e também de uma válvula de saída 34 para a passa-gem do nitrogênio expandido e do líquido de transferência de calor resfriadoproveniente da câmara 3 para o tubo de retorno 16. O nitrogênio é esvaziadoou drenado do reservatório por uma saída 22.
Referindo-se às figuras de 2 a 8, o movimento alternado do pis-tão 28 no cilindro 1 é governado por um carne giratório 38 sendo dotado deuma periferia externa em forma de lóbulo engrenado por um seguidor decarne 40 fixado no pistão 28. O carne 38 gira no sentido do movimento dosponteiros do relógio conforme ilustrado nas figuras de 2 a 8, em torno doeixo geométrico giratório indicado em 42. A periferia externa do carne 38 édotada de uma parte parcialmente circular que está centralizada no eixo ge-ométrico 42 e subentendendo um ângulo de 170° a 180° no eixo geométrico42, dois flanços substancialmente retilíneos e uma transição curva curta li-gando os flancos.
À medida que o carne 38 gira, o pistão 28 é submetido a ciclosrepetitivos de movimento e pode ser observado que para quase a metade dotempo periódico (isto é, o tempo para um ciclo), o seguidor de carne 40 per-corre acima da parte parcialmente circular do carne 38 e o pistão 28 é man-tido em sua posição de centro inativo superior onde a câmara 3 é dotada deum volume mínimo, conforme ilustrado na figura 2. Durante esse período detempo, a válvula 32 é aberta para admitir o primeiro líquido de transferênciade calor (sob pressão proveniente da bomba 36) e então o nitrogênio líquido.
Para um cilindro de 500cc de capacidade, pode ser injetado 25cc do líquidode transferência de calor mais 1çc de nitrogênio na câmara 3 no início decada curso de energia. Durante a injeção, a válvula 34 permanece fechada.
No final desse período de tempo, a válvula 32 fecha, o seguidorde carne 40 se move para um dos flancos (Figura 3) e a expansão do nitro-gênio faz com que o pistão 28 seja submetido a um curso de energia. A ex-pansão do nitrogênio ocasiona o resfriamento mas a expansão do nitrogênioabsorve a energia térmica do líquido de transferência de calor que é assimresfriado. Quando o seguidor de carne 40 percorre acima da transição curvacurta do perfil de carne, o pistão 28 está no centro inativo inferior. No retornodo curso do pistão 28 (Figura 4), o seguidor de carne 40 engrena o outroflanco, o pistão 28 retorna em direção à parte superior do cilindro e a válvula34 se abre para liberar os fluidos consumidos através do tubo 16. A válvula34 fecha antes do começo do curso de energia subseqüente do pistão 28.
O líquido de transferência de calor é bombeado para a câmarapela bomba 36. Quando dentro da câmara 3, o líquido de transferência decalor está em íntimo contato com o nitrogênio, de maneira que ocorre atransferência de calor efetiva do líquido de transferência de calor para o ni-trogênio em expansão. Esta transferência de energia térmica para o nitrogê-nio aumenta a quantidade pela qual o nitrogênio se expande, aumentando,desse modo, a quantidade da energia de eixo produzida pele motor. O líqui-do de transferência de calor é recirculado através da câmara 18, passandoatravés do permutador térmico 20 a fim de retornar sua temperatura ambiente.
Na seqüência das vistas das figuras de 5 a 8 está ilustrado oinício do ciclo com a válvula 30 fechada, a válvula de entrada 32 fechada e aválvula de saída 34 aberta. A figura 6 ilustra a válvula de entrada 32 aberta,para a entrada do líquido de transferência de calor no cilindro 3, com a vál-vula 30 e a válvula de saída 34 fechadas. A figura 7 ilustra as válvulas 32 e34 fechadas e a válvula 30 aberta, permitindo o nitrogênio líquido para a câ-mara. A figura 8 ilustra o início do curso de energia com todas as válvulas30, 32 e 34 fechadas, o nitrogênio líquido e o líquido de transferência de ca-lor se misturando na câmara 3.
Claims (18)
1. Motor compreendendo uma câmara de expansão definida pe-lo volume entre dois membros relativamente móveis guiados para movimen-to em um ciclo repetitivo por dispositivo guia, dispositivo de entrada paraadmitir para a câmara um fluido de acionamento em uma condição refrigera-da, e também para admitir para a câmara um líquido de transferência de ca-lor, dispositivo de saída para a retirada do líquido de transferência de calor,em um estado resfriado, proveniente da câmara onde parte do ciclo inclui umperíodo de tempo durante o qual não há substancialmente nenhum movi-mento relativo entre os membros e durante o qual o volume da câmara émantido no ou próximo ao seu volume mínimo, em uso o líquido de transfe-rência de calor e o líquido de acionamento sendo admitidos para a câmaradurante o dito período de tempo e o fluido de acionamento então se expan-dindo para aumentar o volume da câmara e o líquido de transferência decalor fornecendo energia térmica para a expansão do fluido de acionamento,a expansão do fluido de acionamento ocasionando a geração da energia deeixo pelo motor.
2. Motor de acordo com a reivindicação 1, no qual os membrosrelativamente móveis compreendem um cilindro e um pistão alternável den-tro do cilindro, o pistão sendo mantido na ou próximo à sua posição de cen-tro inativo superior durante o dito período de tempo.
3. Motor de acordo com a reivindicação 1 ou 2, no qual o dispo-sitivo guia inclui um came e um seguidor de carne.
4. Motor de acordo com a reivindicação 3, no qual o perfil decame inclui uma parte parcialmente circular que está centrada no eixo geo-métrico giratório do came e acima do qual o seguidor de came percorre du-rante o dito período de tempo.
5. Motor de acordo com qualquer uma das reivindicações prece-dentes, no qual o dito período está entre um terço e meio do tempo para odito ciclo.
6. Motor de acordo com qualquer uma das reivindicações prece-dentes, no qual o motor opera em um ciclo de dois cursos.
7. Motor de acordo com qualquer uma das reivindicações prece-dentes, onde o dispositivo de entrada inclui uma bomba para bombear o lí-quido de transferência de calor para a câmara.
8. Motor compreendendo uma câmara de expansão, dispositivode entrada para admitir um fluido de acionamento em uma condição refrige-rada para a câmara, e também para admitir para a câmara um líquido detransferência de calor, dispositivo de saída para retirada do líquido de trans-ferência de calor, em um estado resfriado, proveniente da câmara e umpermutador de calor para aumentar a temperatura do líquido de transferên-cia de calor retirado antes da recirculação do líquido de transferência de ca-lor através da câmara, em uso o fluido de acionamento expandindo na câ-mara e o líquido de transferência de calor fornecendo energia térmica para ofluido de acionamento em expansão, a expansão do fluido de acionamentoocasionando a geração de energia de eixo pelo motor, onde o dispositivo deentrada inclui uma bomba para bombear o líquido de transferência de calorpara a câmara.
9. Motor de acordo com qualquer uma das reivindicações prece-dentes, no qual o líquido de transferência de calor está na ou próximo datemperatura ambiente quando é suprido para a câmara.
10. Motor de acordo com qualquer uma das reivindicações pre-cedentes, no qual o fluido de acionamento é nitrogênio liqüefeito ou ar, ouqualquer mistura desses ou outros gases.
11. Método para gerar energia térmica proveniente de um fluidode acionamento em uma condição refrigerada, o método compreendendo aadmissão do fluido de acionamento para uma câmara de expansão definidapelo volume entre dois membros relativamente móveis guiados para movi-mento em um ciclo repetitivo pelo dispositivo guia, permitindo o fluido de a-cionamento a se expandir na câmara para produzir energia de eixo, onde umlíquido de transferência de calor é adicionalmente admitido para a câmaraonde o líquido de transferência de calor fornece energia térmica para a ex-pansão do fluido de acionamento, o líquido de transferência de calor resfria-do sendo retirado da câmara, aquecido e recirculado para a câmara, ondeparte do ciclo inclui um período de tempo durante o qual não há substanci-almente nenhum movimento entre os membros e durante o qual o volume dacâmara é mantido no ou próximo ao volume mínimo, e onde o líquido detransferência de calor e o fluido de acionamento são admitidos para a câma-ra durante o dito período de tempo.
12. Método de acordo com a reivindicação 11, no qual os mem-bros relativamente móveis compreendem um cilindro e um pistão alternáveldentro do cilindro, o pistão sendo mantido na ou próximo à sua posição decentro de inércia superior durante o dito período de tempo.
13. Método de acordo com a reivindicação 11 ou 12, no qual odispositivo guia inclui um carne e um seguidor de carne.
14. Método de acordo com a reivindicação 13, no qual o perfil decarne inclui uma parte parcialmente circular que está centrada no eixo geo-métrico giratório do carne e acima do qual o seguidor de carne percorre du-rante o dito período de tempo que pode ser entre um terço e meio do tempopara um ciclo.
15. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de-11 a 14, no qual o clico é um ciclo de dois cursos.
16. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de-11 a 15, no qual o líquido de transferência de calor está na ou próximo àtemperatura ambiente quando é suprido para a câmara.
17. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de-11 a 16, no qual o fluido de acionamento é nitrogênio liqüefeito ou ar ouqualquer mistura dos mesmos.
18. Motor de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1a 7, onde o motor compreende adicionalmente um permutador térmico paraaumentar a temperatura do líquido de transferência de calor retirado antesda recirculação do líquido de transferência de calor através da câmara.
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