BRPI0712746A2 - método e dispositivo para conversão de energia térmica em trabalho mecánico - Google Patents
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Abstract
METODO E DISPOSITIVO PARA CONVERSãO DE ENERGIA TéRMICA EM TRABALHO MECáNICO. A invenção refere-se a um método para conversão de energia térmica em trabalho mecânico. Dito método compreende as seguintes etapas que são realizadas como um ciclo: alimentação de um meio de trabalho líquido de um reservatório de armazenamento (1) para um recipiente de trabalho (3); aquecimento do meio de trabalho no recipiente de trabalho (3) por meio de um primeiro trocador de calor (5); deixar fluir uma quantidade parcial do meio de trabalho do recipiente de trabalho (3) para um conversor pneumático-hidráulico (8), com o que um meio hidráulico é pressionado do conversor pneumático-hidráulico (8) para uma máquina de trabalho (9), para converter o trabalho hidráulico do meio hidráulico em trabalho mecânico; o meio de trabalho do conversor pneumático-hidráulico (8) é reconduzido para o reservatório de armazenamento (8) e o meio hidráulico é retomado para o conversor pneumático-hidráulico (8). A invenção também se refere a um dispositivo para realizar dito método.
Description
"MÉTODO E DISPOSITIVO PARA CONVERSÃO DE ENERGIA TÉRMICA EM TRABALHO MECÂNICO"
A presente invenção refere-se a um método e um dispositivo para conversão de energia térmica em trabalho mecânico.
São conhecidos muitos tipos de processos em ciclo e dispositivos que servem para converter energia térmica em trabalho mecânico e, eventualmente, em outra seqüência, em corrente elétrica. Neste caso se trata de, por exemplo, processos a força de vapor, processos de Sterling ou similares. Uma possibilidade do uso de tal método consiste em elevar o grau de eficácia do motor de combustão, na medida em que o calor dissipado é submetido a um aproveitamento. Todavia, neste caso é problemático que os níveis de temperatura que são disponíveis são relativamente desfavoráveis, pois o circuito de resfriamento do motor de combustão trabalha usualmente em temperaturas que estão situadas aproximadamente em 100 °C. Um problema semelhante consiste, então, quando calor proveniente de instalações solares deve ser convertido em trabalho mecânico.
Uma solução especial para um tal processo térmico está indicada no WO 03/081011 A. Nesta publicação é descrito um método em que, por meio de aquecimento de um meio de trabalho em vários acumuladores de bolhas, um meio hidráulico é colocado sob pressão, o qual é processado em uma máquina de trabalho. Embora um tal método seja basicamente funcional, foi evidenciado que o grau de eficiência é modesto e o dispêndio em aparelhos é relativamente grande em relação à quantidade de energia que pode ser gerada.
Ainda, da US 3.803.847 A é conhecido um método que opera de forma descontínua, o qual, com grau de eficiência modesto, pode produzir trabalho por meio da conversão de calor.
O objetivo da presente invenção é o de configurar um método do tipo acima descrito, de tal maneira, que também sob pressuposições termicamente desfavoráveis, um alto grau de eficiência pode ser alcançado, em que ar quantidade em aparelhos é tão reduzida quanto possível.
De acordo com a invenção, um tal método consiste das seguintes etapas que são realizadas como um ciclo:
alimentação de um meio de trabalho líquido de um reservatório de armazenamento para um recipiente de trabalho;
aquecimento do meio de trabalho no recipiente de trabalho por meio de um primeiro trocador de calor;
deixar fluir uma quantidade parcial do meio de trabalho do recipiente de trabalho para um conversor pneumático-hidráulico, com o que um meio hidráulico do conversor pneumático-hidráulico para uma máquina de trabalho é pressionado, para converter o trabalho hidráulico do meio hidráulico em trabalho mecânico; recondução do meio de trabalho do conversor pneumático- hidráulico para o reservatório de armazenamento, na medida em que meio hidráulico é reconduzido para o conversor pneumático- hidráulico.
Na primeira etapa, um meio de trabalho, que em uma curva de pressão de vapor conveniente, tal como, por exemplo, Rl 34a, isto é, a figura, é retirado de um reservatório de armazenamento. Neste reservatório de armazenamento, o meio de trabalho está presente em um estado de equilíbrio entre uma fase líquida e fase gasosa. A pressão é, neste caso, selecionada de tal maneira que este equilíbrio é mantido. No caso de Rl 34a e uma temperatura ambiente de aproximadamente 20 0C, esta primeira pressão é de aproximadamente 6 bar. O meio de trabalho é transferido para um recipiente de trabalho, no qual preferivelmente reina uma segunda pressão mais alta. A segunda pressão está situada, por exemplo, em 40 bar. O gasto de energia para a transferência pode ser minimizado quando, em uma maneira preferida, somente meio de trabalho líquido é bombeado em ciclo para o recipiente de trabalho.
Na segunda etapa, o meio de trabalho no recipiente de trabalho é aquecido. Por meio do aquecimento, a pressão é ainda mais aumentada e o meio de trabalho é parcialmente evaporado. O aquecimento é efetuado preferivelmente por meio de calor perdido, por exemplo, a partir de um motor de combustão com combustão interna. Quando de um aquecimento para 100 °C, o calor perdido pode ser aproveitado de forma ótima.
Na terceira etapa, o meio de trabalho é deixado fluir para um conversor pneumático-hidráulico. Isto pode ser temporalmente efetuado depois da segunda etapa, isto é, que inicialmente o calor é totalmente alimentado e em seguida a conexão entre o recipiente de trabalho e o conversor pneumático-hidráulico é estabelecida. Todavia, também uma simultaneidade parcial ou total dessas etapas pode existir, isto é, que o meio no recipiente de trabalho é aquecido durante o transbordo para o conversor pneumático-hidráulico. Desta maneira, o grau de eficiência pode ser otimizado, pois o resfriamento que ocorre por meio da expansão do meio de trabalho é imediatamente compensado. Além disto, o tempo de ciclo é reduzido. No conversor pneumático-hidráulico, o qual, por exemplo, é realizado como acumulador de bolhas, o meio de trabalho afluente desloca um meio hidráulico que está presente no espaço hidráulico, o qual é processado em uma máquina de trabalho apropriada, por exemplo, um motor hidráulico, para produzir um trabalho mecânico, o qual, novamente, por exemplo, pode ser aproveitado para a geração de energia elétrica.
Na quarta etapa, o conversor pneumático-hidráulico é novamente cheio com o meio hidráulico através de uma pequena bomba, sendo que o meio de trabalho e deslocado e é reconduzido para o reservatório de armazenamento. Eventualmente, o meio de trabalho, neste caso, é conduzido através de um segundo trocador de calor, a fim de poder realizar uma adaptação de temperatura à temperatura ambiente. Depois desta quarta etapa, o processo de ciclo é ulteriormente conduzido com a primeira etapa.
O grau de eficiência e a capacidade de potência da instalação podem ser otimizados, quando as possíveis transições de fase são 5 correspondentemente aproveitadas. Em particular, o meio de trabalho deve ser, na primeira etapa, exclusivamente movimentado no estado fluido, enquanto na terceira etapa somente a fase gasosa é transferida para o conversor pneumático-hidráulico.
Preferivelmente é previsto que, durante a recondução do meio 10 de trabalho do conversor pneumático-hidráulico para o reservatório de armazenamento, a conexão entre o recipiente de trabalho e o conversor pneumático-hidráulico seja interrompida. Desta maneira, perdas por transbordamento podem ser minimizadas.
Uma otimização do grau de eficiência é possível, quando o 15 meio de trabalho é resfriado na alimentação do reservatório de armazenamento para o recipiente de trabalho. O resfriamento pode ser efetuado por meio de um trocador de calor de ambiente, também um usual refrigerador; todavia, é também possível utilizar a potência frigorífica do segundo trocador de calor, desde que a energia do frio não seja de outra 20 maneira requerida, por exemplo, para uma instalação de condicionamento de ar ou um sistema de refrigeração.
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E especialmente vantajoso quando o meio hidráulico é mantido em uma temperatura que corresponde à temperatura média do meio de trabalho no conversor pneumático-hidráulico. Desta maneira, indesejados 25 efeitos de compensação de temperatura podem ser evitados.
Como já mencionado, é possível que o meio de trabalho do conversor pneumático-hidráulico seja conduzido através de um segundo trocador de calor. Dependendo da condução do método, neste caso, no segundo trocador de calor podem surgir baixas temperaturas que são produzidas por meio da expansão do meio de trabalho. Estas baixas temperaturas podem ser usadas para o resfriamento, a fim de economizar a energia ali requerida.
Uma outra otimização em particular da produção de frio pode ser realizada pelo fato de que meio o meio de trabalho do conversor pneumático-hidráulico é relaxado para uma pressão de relaxação que está situada abaixo da primeira pressão no reservatório de armazenamento e, na seqüência, a primeira pressão é comprimida.
Ainda, a presente invenção se refere a um dispositivo para conversão de energia térmica em trabalho mecânico, com um reservatório de armazenamento, um recipiente de trabalho e uma máquina de trabalho para conversão de trabalho hidráulico em trabalho mecânico.
De acordo com a invenção, é previsto que o recipiente de trabalho esteja em conexão com um primeiro trocador de calor para aquecer o meio de trabalho, que o recipiente de trabalho seja conectado ainda com um conversor pneumático-hidráulico que transfere a pressão do meio de trabalho para um meio hidráulico, e que um linha de recirculação para o meio de trabalho do conversor pneumático-hidráulico para o reservatório de armazenamento seja provido.
Uma variante de concretização particularmente preferida da invenção prevê que vários reservatórios de trabalho e conversores pneumático-hidráulico sejam conectados em paralelo.
Na concretização prática, por exemplo, cinco dos dispositivos representados na figura 1 são dispostos paralelos lado a lado e são operados temporalmente defasados um com relação a outro, como este é o caso, por exemplo, em um motor de combustão interna de cinco cilindros. Assim, uma operação contínua sem flutuações cíclicas dignas de nota pode ser alcançada.
A seguir, o método de acordo com a invenção e o dispositivo de acordo com a invenção serão explicados mais detalhadamente com base no diagrama de ligações da figura 1, o qual representa os componentes essenciais da instalação. A figura 2 mostra uma típica curva de pressão de vapor de um meio de trabalho.
Em um reservatório de armazenamento 1 está presente um meio de trabalho, em que, aqui, por exemplo, pode ser usado um agente refrigerante, como R 134a. O meio de trabalho no reservatório de armazenamento 1 está presente, neste caso, em equilíbrio de fase em temperatura ambiente e uma pressão de aproximadamente 6 bar. O reservatório de armazenamento 1 é conectada através de uma bomba de alimentação 2 com um recipiente de trabalho 3, em que esta conexão pode ser ligada através de uma válvula 4. No recipiente de trabalho 3 é disposto um primeiro trocador de calor 5, o qual serve para o aquecimento do meio de trabalho no recipiente de trabalho 3. O trocador de calor 5 é suprido através de uma bomba de transporte 6 com calor perdido de um motor de combustão interna, aqui não representado, na medida em que, por exemplo, água com 100°C é conduzida através do primeiro trocador de calor 5. O recipiente de trabalho 5 está em conexão através de um tubo de derivação 7 com uma primeira câmara de trabalho 8a de um conversor pneumático-hidráulico 8, o qual é configurado como acumulador de bolhas. A primeira câmara de trabalho 8a é separada de uma segunda câmara de trabalho 8b por meio de uma membrana flexível 8c, a qual separa as duas câmaras de trabalho 8a, 8b uma da outra, mas possibilita uma compensação de pressão. A segunda câmara de trabalho 8b do conversor pneumático-hidráulico 8 está em conexão com um circuito hidráulico, o qual consiste de uma máquina de trabalho 9 com gerador 10 flangeado na mesma, um recipiente de óleo 20, uma bomba de recondução 17 e um terceiro trocador de calor 11. O terceiro trocador de calor 11 é suprido por uma bomba 12. Um outro conduto de trabalho 19 liga a primeira câmara de trabalho 8a do conversor pneumático-hidráulico 8 com um segundo trocador de calor 16, o qual está em conexão com o reservatório de armazenamento 1 através de uma bomba de transporte 14. Ademais, os condutos 7, 19 podem ser opcionalmente fechados por meio de válvulas 7a, 19a.
A operação do dispositivo de acordo com a invenção será explicada mais detalhadamente a seguir.
Em uma primeira etapa, meio de trabalho líquido do reservatório de armazenamento 1 é transferido por meio da bomba de alimentação 2 para o recipiente de trabalho 3, onde a pressão é aumentada de 6 bar para 40 bar.
Depois de o recipiente de trabalho 3 ser completamente cheio com meio de trabalho líquido, a válvula 4 é fechada e é efetuado um aquecimento através do primeiro trocador de calor 5. Este aquecimento representa a segunda etapa. Neste caso, o calor perdido de um outro processo pode ser aproveitado.
Por meio do aquecimento para 100°C, uma parte do meio de trabalho no recipiente de trabalho 3 é evaporado e este vapor é transferido, em uma terceira etapa, através do conduto 7 quando a válvula 7a está aberta, para a primeira câmara de trabalho 8a do conversor pneumático-hidráulico 8. A queda de pressão é compensada, neste caso, por meio de outro aquecimento através do primeiro trocador de calor 5. Ao mesmo tempo, a membrana 8c do conversor pneumático-hidráulico 8 desloca-se na direção da segunda câmara de trabalho 8b, de modo que meio hidráulico é pressionado por meio da máquina de trabalho 9 que aciona o gerador 10. A terceira etapa é finalizada tão longo a segunda câmara de trabalho 8b do conversor pneumático- hidráulico 8 seja extensamente esvaziada.
Em uma quarta etapa, meio hidráulico é reconduzido do recipiente 20 para a segunda câmara de trabalho 8b do conversor pneumático- hidráulico 8 através da bomba 17 e o meio de trabalho é conduzido a partir da câmara de trabalho 8a através da válvula 19a, neste ínterim aberta, para o conduto 19 através do segundo trocador de calor 16, e relaxado. Uma bomba de transporte 14 conduz o meio de trabalho de volta para o reservatório de armazenamento 1. Como indicado pela seta 21, o calor absorvido pelo meio de trabalho no segundo trocador de calor 16 pode ser fornecido como potência frigorífica para, por exemplo, acionar uma instalação de refrigeração ou instalação de condicionamento de ar. Todavia, uma corrente parcial através de um trocador de calor 15 pode ser utilizada para refrigerar o meio de trabalho por ocasião da compressão.
A figura 2 representa uma típica curva de pressão de vapor de um meio de trabalho que pode ser usado no processo de ciclo descrito. Trata- se, neste caso, do R 134 a, também do 1,1,1,2-tetrafluoretano, descrito como meio frigorífica. Como é visível, a fase líquida está em equilíbrio com a fase gasosa a temperatura ambiente em uma pressão de aproximadamente 6 bar. Em uma temperatura de 100°C, esta pressão de equilíbrio é aproximadamente 40 bar.
A presente invenção possibilita, com montagem de aparelhos simples, aproveitar de forma ótima calor perdido por outros processos, tais como a operação de um motor de combustão com combustão interna.
Claims (22)
1. Método para conversão de energia térmica em trabalho mecânico, caracterizado pelo fato de ser com as seguintes etapas que são realizadas como um processo cíclico: - alimentação de um meio de trabalho líquido de um reservatório de armazenamento (1) para um recipiente de trabalho (3); - aquecimento do meio de trabalho no recipiente de trabalho (3) por meio de um primeiro trocador de calor (5); - deixar fluir uma quantidade parcial do meio de trabalho do recipiente de trabalho (3) para um conversor pneumático-hidráulico (8), com o que um meio hidráulico é pressionado do conversor pneumático-hidráulico (8) para uma máquina de trabalho (9), para converter o trabalho hidráulico do meio hidráulico em trabalho mecânico; - retorno do meio de trabalho do conversor pneumático-hidráulico (8) para o reservatório de armazenamento (1), na medida em que meio hidráulico é recirculado para o conversor pneumático-hidráulico (8).
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o meio de trabalho é comprimido de uma primeira pressão mais baixa no reservatório de armazenamento (1) para uma segunda pressão mais alta no recipiente de trabalho (3).
3. Método de acordo com uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o meio de trabalho é transferido em forma líquida do reservatório de armazenamento (1) para o recipiente de trabalho (3).
4. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o meio de trabalho é parcialmente evaporado quando do aquecimento no recipiente de trabalho (3) e é conduzido no estado gasoso do recipiente de trabalho (3) para o conversor pneumático-hidráulico (8).
5. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o meio de trabalho no recipiente de trabalho (3) é aquecido isometricamente.
6. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a conexão entre o recipiente de trabalho (3) e o conversor pneumático-hidráulico (8) é interrompida por meio de uma válvula (7a) ou similar durante a recondução do meio de trabalho do conversor pneumático-hidráulico (8) para o reservatório de armazenamento (1).
7. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o meio de trabalho é resfriado na alimentação do reservatório de armazenamento (1) para o recipiente de trabalho (3) por meio de um trocador de calor (15).
8. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o meio hidráulico é mantida por meio de um trocador de calor em uma temperatura que corresponde à temperatura média do meio de trabalho no conversor pneumático-hidráulico (8).
9. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o meio de trabalho do conversor pneumático- hidráulico (8) é conduzido através de um segundo trocador de calor (16).
10. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que o meio de trabalho do conversor pneumático- hidráulico (8) é expandido para uma pressão de expansão que está situada abaixo da primeira pressão no reservatório de armazenamento (1) e, na seqüência, é comprimido para a primeira pressão.
11. Dispositivo para conversão de energia térmica em trabalho mecânico, com um reservatório de armazenamento (1), um recipiente de trabalho (3) e uma máquina de trabalho (9) para conversão de trabalho hidráulico em trabalho mecânico, caracterizado pelo fato de que o recipiente de trabalho (3) está em conexão com um primeiro trocador de calor (5) para aquecer o meio de trabalho, que o recipiente de trabalho (3) é conectado ainda com um conversor pneumático-hidráulico (8), que transfere a pressão do meio de trabalho para um meio hidráulico, e que uma linha de recirculação para o meio de trabalho do conversor pneumático-hidráulico (8) para o reservatório de armazenamento (1) é prevista.
12. Dispositivo de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que uma bomba de alimentação (2) para o bombeamento do meio de trabalho do reservatório de armazenamento (1) para o recipiente de trabalho (3) é prevista.
13. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 11 a 12, caracterizado pelo fato de que o primeiro trocador de calor (5) é montado no recipiente de trabalho (3).
14. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 11 a 13, caracterizado pelo fato de que a máquina de trabalho (9) é configurada como motor hidráulico.
15. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 11 a 14, caracterizado pelo fato de que o conversor pneumático-hidráulico (8) é configurado como acumulador de bolhas.
16. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 11 a 15, caracterizado pelo fato de que um segundo trocador de calor (16) é disposto entre o conversor pneumático-hidráulico (8) e o reservatório de armazenamento (1).
17. Dispositivo de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o segundo trocador de calor (16) é configurado como condensador.
18. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 17 a 17, caracterizado pelo fato de que uma bomba de transporte é prevista a jusante do segundo trocador de calor (16).
19. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 11 a 18, caracterizado pelo fato de que o recipiente de trabalho (3) é configurado como evaporador.
20. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 11 a 19, caracterizado pelo fato de que um terceiro trocador de calor (11) é disposto no circuito do meio hidráulico.
21. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações lia 20, caracterizado pelo fato de que é previsto um motor de combustão com combustão interna que apresenta um dispositivo de refrigeração que está em conexão com o recipiente de trabalho (3).
22. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 11 a 21, caracterizado pelo fato de que vários reservatórios de trabalho (3) e conversores pneumático-hidráulico (8) são conectados em paralelo.
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