WO2011106859A1 - Conversor de energía utilizando ciclo stirling - Google Patents

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WO2011106859A1 PCT/BR2011/000065 BR2011000065W WO2011106859A1 WO 2011106859 A1 WO2011106859 A1 WO 2011106859A1 BR 2011000065 W BR2011000065 W BR 2011000065W WO 2011106859 A1 WO2011106859 A1 WO 2011106859A1
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    • Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Definitions

  • the present patent application refers to building systems in general, more specifically to a "Thermomechanical Energy Converter” which, according to its general characteristics, has as its basic principle to provide mechanical energy through the conversion made through the passage. heat flow from a power source to an energy absorbing element, so that through the energy flow the transport element of this energy performs a job while moving a turbine or engine.
  • a “Thermomechanical Energy Converter” which, according to its general characteristics, has as its basic principle to provide mechanical energy through the conversion made through the passage. heat flow from a power source to an energy absorbing element, so that through the energy flow the transport element of this energy performs a job while moving a turbine or engine.
  • Thermomechanical Energy Converter uses the Robert Stirling concept which in 1816 developed the first external combustion engine, although the “Thermomechanical Energy Converter” described here does not necessarily need combustion, but rather a heat source, which may be by combustion of any kind of fuel, solid, liquid, gas as well as other energy sources such as the sun, geothermal, radioactive isotopes, etc. But anyway, the concept is the same as created by Robert Stirling.
  • This patent application is characterized by bringing together components and processes in a different design, which will meet the various requirements that the nature of use demands, that is, a system of energy conversion operating by heating gas in two units that operate synchronously, so that while one heats the gas inside, the other removes heat from the gas and this cycle generates the conversion that becomes available on the shaft of a motor or turbine.
  • the converted energy is proportional to the energy flow through the conversion equipment. The better the elements of energy transfer, insulation and heat loss, flow flow of both energy and gas, the more efficient the converter will be.
  • the present patent application consists of the use of a modern, efficient, safe and functional "Thermomechanical Energy Converter” through the closed-loop gas expansion and retraction generally comprised of a set of correctly incorporated mechanical and construction elements and solutions, composing a complete and differentiated construction system with unique design and unique characteristics, incorporating its own mechanical-specific structure, of high durability and resistance and containing perfectly integrated and symmetrically arranged in a closed circuit formed by a set of elements of heating, isolation, transport, expansion in order to propel a turbine or engine to gas pressure, providing mechanical energy in a shaft to conversion to electrical energy for specific or general use.
  • the present "Thermomechanical Energy Converter” is based on the energy contained in a heat source, sun, geothermal, combustion, atomic radiation, where it is taken by means of a thermal fluid and conducted in chambers to transfer the energy to the gas contained in the chambers so that it expands and is converted to mechanical energy on a motor shaft or turbine so that the gas receives power in one of the chambers, increasing pressure and moving to the other chamber whose circuit is in it. moment by removing the heat from the gas and in this way the system will do work converting moving a turbine or engine.
  • Thermomechanical Knergia Converter has been designed, in which its basic design is totally based on its own structure that presents the basic and essential characteristics of total simplicity, energy transfer and conversion efficiency, versatility and efficiency. integration, also characterized by ease of deployment, especially flexibility in the use of various heat sources, renewable, non-renewable, fuels, etc .; involving a low number of components, reducing manufacturing, assembly and maintenance costs and times;
  • the proposed project consists of a new solution that by its geometry configures an accelerated thermal transfer process, allows the implementation of thermal units in consortium facilitating large systems, the symmetry ensures balance and excellent balance nonexistent in current systems, and one of the points. Most importantly, the continuous use of the energy flow and its own characteristics have the property of easily leaving the inertial state of departure.
  • Figure 1 is a block diagram depicting the flow of thermal energy, the transfer to gas within two sealed but interconnected units by means of a circuit that forces gas to pass through a turbine such that: thermal energy enters block 1, takes direction 2 continuously and uninterruptedly, part being transformed and part being released into the environment by block 6, so during this flow, energy is transferred to the gas contained in sealed units 4 and 5, so that at one point energy is transferred to gas in sealed unit 4 by expanding the gas and withdrawn in sealed unit 5 moving to the outside environment and in the next phase the transfer operates in the opposite direction, energy is deposited in unit sealed unit 5 and withdrawn from sealed unit 4 moving to block 6 for release, of course much of the energy is transferred to generate work and energy conversion by turbine
  • At 3 the direction of the flow of energy which time enters unit 4 and time at unit 5 is represented, at 8 one-way flow valves are indicated, they allow gas flow only in the direction indicated so that in the diagram shown the flow of gas 9 always enters the same side of turbine 10 ensuring same and continuous movement in the same direction.
  • the three graphs in figure 1 indicate, 1 1 the gas pressure curve in each of the sealed units when in operation and 12 the average system pressure line, and 13 the average system pressure without power flow. from the source.
  • the differential pressure behavior between sealed units 4 and 5 is indicated, at 15 the pressure behavior at the turbine inlet after passing through the directional valves.
  • sealed units are considered to have inert gas under pressure designed to remain safe as a function of the maximum operating pressures.
  • Helium gas highly indicated, meets safety and the property of having high thermal conductivity, the absorption of heat occurs about ten times faster than that of air or nitrogen.
  • the sealed units are pressurized so that the larger the pressure, the greater its energy conversion capacity per unit volume, precisely because the greater the amount of gas molecules, the more gaseous matter there is to carry the energy.
  • the equipment must be correctly sized to operate in safe conditions. As there is no moving element exposed to the outside, the present project has no volumetric variation during the cycle and is not influenced by atmospheric pressure.
  • Figure 2 there are two block diagrams representing the same system 17, but in 16 indicates the energy flow as a function of the rotor spin to be explained in detail below, noting that at some point the energy flow enters the sealed unit 4 and exits through sealed unit 5 and in the next step the opposite, enters through sealed unit 5 and exits 4.
  • the gas flow is indicated which due to the sequential and continuous exchange of energy transfer, time comes from sealed unit 4 with higher pressure entering the turbine and time comes from sealed unit 5 so it is at higher pressure entering the turbine.
  • FIG. 3 shows how the rotor is constituted.
  • the rotor is formed by a shaft 22, with rosettes 19 of thermally insulating material, each rosette is formed by petals 20, the shaft is drilled 21 for the passage of gas during the expansion and retraction process.
  • the assembled rotor is indicated at 23, one part with the rosettes all symmetrically aligned and spaced 25 and another part of identical size with the same number of rosettes but lagged to generate the symmetrical effect on the heat exchange by the energy flow.
  • the function of the rotor with the rosettes is to displace the gas in a circular manner within each of the sealed units, moving it from the hot and cold regions and vice versa continuously, it must be observed and understood that this rotor does not exert pressure.
  • Figure 4 shows one of the most important items of the project, the thermal transfer disc.
  • the concept is as follows: To have the best possible performance in a closed-loop gas system, the gas must be as close to the heat transmitting element as possible so that energy transfer is efficient both during the process. to provide the energy for withdrawal, that is, in as close contact as possible with the heat withdrawal element.
  • the energy transfer thermal disc consists of hot segments 27 and cold segments 28 alternately insulated from each other by thermal insulators 30. Each segment is formed by a fraction of the disc with perfect angled edges directed to the center, with conductive material. thermal and good thermal emission property, inserted by a duct 29 through which hot or cold thermal fluid is transported as appropriate.
  • Ring 31 is made of thermal insulating material to reduce energy loss to the shaft.
  • Figure 5 shows a 4 hot pole 32 and 4 cold pole 33 energy exchange disc and its assembled design 34.
  • a thermal insulating disc is shown which is used at the ends of the sealed units to reduce thermal losses to the housing and the outer environment.
  • Figure 6 shows how the main elements constituting the energy to gas transfer system as well as the energy withdrawal from the gas within the sealed units are assembled.
  • the rotor is observed for a device with two sealed units and four poles. As the rotor is shown to contain two sections, one with three symmetrical rosettes, and another section with three other lagged symmetrical rosettes of the first section, the holes are also observed in this item to facilitate the passage of gas during the process.
  • 36 and 37 it is observed how the discs that form the stator are distributed, the discs are fixed in the housing and operate in a static and completely symmetrical way all the discs and even aligned when referring to the sealed units while the rotor rotates between their grids. .
  • the discs are mounted between the stator rosettes and another disc at the end which according to drawing, the disc indicated by 40 is the last heat transfer disc of the assembly and thereafter is introduced from the thermal insulation disc 41 so that the energy that is introduced into the system to be fully available for gas expansion, improving overall performance.
  • the disc indicated by 40 is the last heat transfer disc of the assembly and thereafter is introduced from the thermal insulation disc 41 so that the energy that is introduced into the system to be fully available for gas expansion, improving overall performance.
  • Figure 8 is highly illuminating, the arrow indicated by 55 defines the always cold region, so all stator grilles aligned with this arrow will always be removing heat from the gas through the thermal fluid passing through them, on the other hand the arrow indicated 54 defines the always hot region and therefore all stator grids aligned with this arrow will always be providing heat through the thermal fluid passing through them.
  • the grid 49 and all the grids aligned thereto, segments of the thermal discs are cold, the grid 50 and all aligned thereto are hot.
  • the petals 51 and 52 are part of the rotor and trap between them all the gas of the sealed units sequentially holding the hot and cold regions. Below is the longitudinal view of the gas between the hot and cold grids.
  • Fig. 9 again shows one of the rotor segments 64, the housing 62 and the thermal insulating cylinder 63 which has the function of isolating, reducing losses of heat exchange elements, hot and cold discs and gas with the external medium. .
  • Figure 11 outlines two forms of installation and application, the first of which at 75 indicates a large installation consisting of a heater 89 whose energy can be provided by solar, geothermal, fuel of any species, solid concentrators. liquid, gaseous, renewable or non-renewable and by heating by radioactive isotope atomic energy, an insulated thermal fluid reservoir 77, a fluid circulation booster pump 78, sealed thermal transfer, expansion and gas retraction 80 and 82, chiller 83, coolant reservoir 84, coolant booster pump 86, directional valve module 88, turbine 87, and thermal fluid flow indication 79 and 76 respectively hot inlet and outlet and 85 and 81, cold inlet and outlet.
  • a heater 89 whose energy can be provided by solar, geothermal, fuel of any species, solid concentrators. liquid, gaseous, renewable or non-renewable and by heating by radioactive isotope atomic energy, an insulated thermal fluid reservoir 77, a fluid circulation booster pump 78, sealed thermal transfer, expansion and gas re
  • heat receiver 91 coupled to the assembly, coupling, pumping and insulation cap 92, sealed unit 93, insulation segment 94, sealed unit 95, insulation segment 96, module directional valves 98, turbine 97 and heat sink 99.
  • Figure 12 indicates an apparatus 100 having a system with two sealed unit assemblies, 101 and 102, indicating the flexibility of building with the same idea and concept, multi-phase systems.
  • 103 and 104 respectively indicate the behavior of gas expansion and retraction cycles between the two sets of sealed units, 105 the relative behavior that occurs in each set of sealed units and 106 resulting from gas flow in the turbines.
  • this figure and diagrams indicate the feasibility of using this concept in large projects.
  • Figure 13 shows the application of smaller equipment 07 in solar systems with mirrored energy concentration plates.
  • the sun deposits an average 1000 watts of energy per square meter in the earth's crust.
  • Concentrators of various designs may be used to direct the energy and conduct it to generate the useful flow for the proposed conversion system.
  • the “Thermomechanical Power Converter” proposed here gives high flexibility for small and large installations, high security in its use, considering the correct technical procedure for its dimensioning, its construction and application, robustness due to characteristics such as: very low noise, no shocks and impacts, simplicity of process, applicability from small isolated installations, residential, commercial and distributed systems.
  • Thermomechanical Hypnergy Converter As a totally versatile, efficient, accurate, practical, environmentally friendly, and safe way to perform useful work or in the thermomechanical conversion of energy in a clean, renewable way for companies to accept power generation and community, yet easy to operate and maintain, coupled with high performance and excellent overall characteristics, however the form sizes of installations may vary directly according to the needs of the environment or project.

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Abstract

Refere-se ao presente pedido de patente de invenção a sistemas constructivos em geral, mais especificamente a um " CONVERSOR DE ENERGIA TERMOMECÂNICO" que propicia energia mecânica pela conversão feita através da passagem do fluxo de calor de uma fonte de energia térmica para um gás que circula entre unidades seladas. O sistema é composto por um ou mais pares de câmaras, chamadas de unidades seladas, as quais transferem calor para o gás de forma alternada entre si por meio do movimento controlado de um rotor em forma de roseta que expõe o gás entre as placas quentes e frias de forma alternada de maneira que o gás entre as câmaras se expanda e se contraia ciclicamente gerando a força motriz.

Description

DESCRITIVO
"Conversor de energia utilizando ciclo Stirling"
Refere-se ao presente pedido de patente de invenção, a sistemas construtivos em geral, mais especificamente a um "Conversor de Energia Termomecânico" que, de acordo com as suas características gerais, possui como principio básico propiciar energia mecânica pela conversão feita através da passagem do fluxo de calor de uma fonte de energia para um elemento de absorção de energia, de modo que através do fluxo energético o elemento de transporte desta energia realize ura trabalho ao movimentar uma turbina ou motor.
Com design e formato específico o "Conversor de Energia Termomecânico" utiliza o conceito de Robert Stirling que em 1 816 desenvolveu o primeiro motor de combustão externa, muito embora o "Conversor de Energia Termomecânico" aqui descrito não necessita de combustão necessariamente, e sim de uma fonte de calor, podendo ser por combustão de qualquer espécie dc combustível, sólido, líquido, gasoso bem como de outras fontes de energia como, o sol, geotérmica, isótopos radioativos, etc. Mas de qualquer forma, o conceito é o mesmo criado por Robert Stirling.
A presente solicitação de patente em apreço caracteriza-se por reunir componentes e processos em uma concepção diferenciada, a qual atenderá as diversas exigências que a natureza da utilização demanda, ou seja, um sistema de conversão de energia operante através do aquecimento de gás em duas unidades que operam sincronizadamente, de forma que enquanto uma aquece o gás em seu interior, a outra retira o calor do gás e este ciclo gera a conversão que fica disponível no eixo de um motor ou turbina.
A energia convertida é proporcional ao fluxo de energia que passa pelo equipamento de conversão. Quanto melhor forem os elementos dc transferência da energia, do isolamento quanto à perda de calor, do escoamento do fluxo tanto da energia quanto do gás, mais eficiente será o conversor.
A presente solicitação de patente consiste no emprego de um moderno, eficiente, seguro e funcional "Conversor Termomecânico de Energia" através da expansão e retração do gás em circuito fechado em geral formado por um conjunto de elementos e soluções mecânicas e construtivas corretamente incorporadas, compondo um sistema construtivo completo e diferenciado, com design exclusivo e características próprias, que incorpora uma estrutura própria e específica do tipo mecânico, de elevada durabilidade e resistência e contendo perfeitamente integrados e simetricamente dispostos em um circuito fechado formado por um conjunto de elementos de aquecimento, isolamento, transporte, expansão de forma a propulsionar uma turbina ou motor a pressão de gás, disponibilizando energia mecânica em um eixo para a conversão em energia elétrica para uso específico ou geral.
O presente "Conversor de Energia Termomecânico" bascia-se na energia contida em uma fonte de calor, sol, geotérmica, combustão, radiação atómica, onde a mesma é tomada por meio de um fluido térmico e conduzido em câmaras para transferência da energia para o gás contido nas câmaras de forma que o mesmo se expanda e seja convertido em energia mecânica em um eixo de motor ou turbina de forma que o gás receba energia em uma das câmaras, aumentando a pressão e se desloque para a outra câmara cujo circuito esteja neste momento retirando o calor do gás e neste trajeto o sistema realizará trabalho convertendo movendo uma turbina ou motor.
O atual estado da técnica, devido ao longo período de abundância de outras formas de energia, não evoluiu de forma muito significativa desde os remotos tempos da invenção pelo Sr Robert Stirling.
As tecnologias conhecidas atualmente de modo geral operam por meio de pistões, de modo que pelas suas geometrias dificultam a transferência eficiente da energia calorífica para o gás, bem como dificultam também projetos de grandes dimensões. Os modelos mais conhecidos são denominados de Alfa conforme indicação em 108, na figura 14, o modelo Beta conforme 109 na figura 14 c o modelo Gama conforme 1 10 na figura 14. Há também um novo modelo chamado de quasiturbine o qual opera com um rotor normalmente com 4 câmaras c quatro regiões de transferência térmica, duas quentes e duas frias, no entanto possui um complexo sistema articulado que forma o rotor o qual gira sob a força da pressão do gás no interior de um corpo em formato elipsoidal e da mesma forma como os três modelos apontados acima, dificulta o dimensionamento para grandes sistemas. Recentemente, William Beale da Sunpower, Inc desenvolveu um modelo novo conforme figura 15, desenho 1 1 1 , cuja configuração compreende quatro cilindros defasados em noventa graus baseado no modelo Stirling Alfa de pistão livre, também com uma turbina a gás, por outro lado, a principal proposta da configuração aqui apresentada é a obtenção de sistemas de maior potência. A maioria dos modelos operam com variação volumétrica nas câmaras de pressão e também vários sofrem influência da pressão do ambiente externo. De qualquer forma, todos os modelos existentes apontados exigem o retorno do gás para a sua origem para receber a energia para gerar o trabalho o que contribui em obrigar os projetos a manter o conversor relativamente grande em dimensão por unidade de potência.
A partir destes inconvenientes projetou-se um "Conversor de Knergia Termomecânico", na qual a sua concepção básica fundamenta-se totalmente em uma estrutura própria que apresente as características básicas e essenciais de total simplicidade, eficiência na transferência energética e de conversão, versatilidade e integração, caracterizado também pela facilidade nas implantações, especialmente pela flexibilidade no uso de diversas fontes de calor, renováveis, não renováveis, dos combustíveis, etc; envolvendo um baixo número de componentes, reduzindo custos e tempos de fabricação, montagem e manutenção;
O projeto proposto consiste em uma nova solução que pela sua geometria configura um acelerado processo de transferência térmica, permite o implemento de unidades térmicas em consórcio facilitando sistemas de grande porte, a simetria garante equilíbrio e excelente balanceamento inexistente nos sistemas atuais, e um dos pontos mais importantes, o aproveitamento continuo do fluxo de energia e ainda pelas suas próprias características, tem a propriedade de sair facilmente do estado inercial de partida.
Os objetivos, vantagens e demais características importantes da patente em apreço poderão ser mais facilmente compreendidas quando lidas em conjunto com as figuras em anexo, nas quais:
A figura 1 representa um diagrama de blocos que descreve o fluxo da energia térmica, a transferência para o gás no interior de duas unidades seladas porém interconectadas entre si por meio de um circuito que força a passagem do gás por uma turbina, de modo que: a energia térmica entra pelo bloco 1 , toma o sentido 2 continuamente e ininterruptamente, parte sendo transformada e parte sendo liberada para o ambiente pelo bloco 6, portanto durante este fluxo, a energia é transferida para o gás contido nas unidades seladas 4 e 5, de forma que em um dado momento a energia é transferida ao gás na unidade selada 4 expandindo o gás e retirada na unidade selada 5 deslocando-se para o ambiente externo c na fase seguinte a transferência opera no sentido contrário, a energia é depositada na unidade selada 5 e retirada na unidade selada 4 deslocando-se para o bloco 6 para liberação, evidentemente grande parte da energia é transferida para gerar trabalho e conversão de energia pela turbina. Em 3 é representado o sentido do fluxo da energia que hora entra pela unidade 4 e hora pela unidade 5, em 8 é indicado as válvulas de fluxo unidirecionais, permitem o fluxo do gás apenas no sentido indicado de forma que no diagrama apresentado o fluxo do gás 9 sempre entra no mesmo lado da turbina 10 garantindo um movimento no mesmo sentido e contínuo. Os três gráficos da figura 1 indicam, 1 1 a curva da pressão do gás em cada uma das unidades seladas quando em operação e 12 a linha indicativa da pressão media do sistema, em 13 a indicação da pressão média do sistema sem o fluxo de energia da fonte. Em 14 é indicado o comportamento da pressão diferencial entre as unidades seladas 4 e 5, em 15 o comportamento da pressão na entrada da turbina após passagem pelas válvulas direcionais. Para este sistema, considera-se que as unidades seladas tenham gás inerte sob pressão dimensionada a manter-se seguro em função das pressões máximas de operação. Há as seguintes considerações: o gás hélio, altamente indicado, reúne segurança e a propriedade de possuir alta condutibilidade térmica, a absorção do calor ocorre em cerca de dez vezes mais rápida que a do ar ou nitrogénio.
As unidades seladas são pressurizadas de modo que quanto maior a pressão, maior será sua capacidade de conversão energética por unidade de volume, justamente porque quanto maior a quantidade de moléculas de gás, mais matéria gasosa existe para transportar a energia. O equipamento deve ser corretamenlc dimensionado de modo a operar em condições seguras. Como não há nenhum elemento móvel exposto ao lado externo, o presente projeto não possui variação volumétrica durante o ciclo e não sofre influência alguma com a pressão atmosférica.
Na figura 2 há dois diagramas de blocos representando o mesmo sistema 17, porém em 16 indica o fluxo de energia em função do giro do rotor a ser detalhadamente explicado logo à frente, observando que em dado momento o fluxo energético entra pela unidade selada 4 e sai pela unidade selada 5 c na fase seguinte o contrário, entra pela unidade selada 5 e sai pela 4. Em 1 8 é indicado o lluxo do gás que devido à troca sequencial e contínua da transferência de energia, hora vem da unidade selada 4 com pressão maior, entrando na turbina e hora vem da unidade selada 5 então esta com pressão maior entrando na turbina.
Na figura 3 é mostrado como é constituído o rotor. O rotor é formado por um eixo 22, com rosetas 19 de material isolante térmico, cada roseta é forma por pétalas 20, o eixo é perfurado 21 para a passagem do gás durante o processo de expansão e retração. O rotor montado é indicado em 23, uma parte com as rosetas todas alinhas de forma simétrica e espaçadas 25 e outra parte de dimensão idêntica com os mesmos números de rosetas porém defasadas para gerar o efeito simétrico na troca térmica pelo fluxo da energia. A função do rotor com as rosetas c de fazer o deslocamento do gás de forma circular no interior de cada uma das unidades seladas, deslocando-o das regiões quentes e frias e vice versa continuamente, deve ser observado e entendido que este rotor não exerce pressão alguma, ou de outro modo o gás não exerce pressão alguma sobre as pétalas do rotor, pois em cada unidade selada o rotor atua sempre em completo equilíbrio de pressões, ele serve exclusivamente para mover o gás equilibradamente. Outro ponto importante a considerar é que as pétalas que formam as rosetas não tocam no rotor, não há atrito direto, pois servem apenas para deslocar o volume de gás no interior das câmaras de uma região para outra.
Na figura 4 é mostrado um dos itens mais importantes do projeto, o disco de transferência térmica. O conceito é o seguinte: para se ter o melhor rendimento possível em um sistema a gás de circuito fechado, o gás deve ficar em contato da forma mais íntima possível com o elemento transmissor do calor para que a transferência energética seja eficiente tanto durante o processo de fornecer a energia quanto na retirada, ou seja, em contato o mais íntimo possível com o elemento de retirada do calor. Desta forma o disco de transferência energética, térmica é constituído por segmentos quentes 27 e segmentos frios 28 alternadamente, isolados entre si por isoladores térmicos 30. Cada segmento é formado por uma fração do disco com arestas em ângulo perfeito dirigido ao centro, com material condutor térmico e boa propriedade de emissão térmica, insertado por um duto 29 pelo qual é transportado o fluido térmico quente ou frio conforme caso. Estes segmentos quentes e frios que formam o disco, possuem suas placas nas duas faces em contato com o gás e estão perfeitamente paralelas com outras placas nas mesmas condições de temperatura e o gás estando entre as mesmas, sofrerá o aquecimento ou resfriamento de forma relativamente rápida. O anel 3 1 é de material isolante térmico para reduzir a perda energética para o eixo. Com esta geometria e conceito de transferência térmica, através do controle da rotação do rotor o qual é independente, o sistema permite total controle de forma a operar sempre na condição ótima de transferência energética, condição desfavorável nos sistemas a pistão.
Na figura 5 é indicado um disco de troca energética de 4 pólos quentes 32 e 4 pólos frios 33 e a sua concepção montada 34. Em 35 é mostrado um disco isolante térmico o qual é utilizado nas extremidades das unidades seladas para reduzir perdas térmicas para a carcaça e o meio exterior.
Na figura 6 é mostrado como são montados os principais elementos que constituem o sistema de transferência de energia para o gás bem como a retirada da energia do gás no interior das unidades seladas. Em 38 observa-se o rotor para um equipamento com duas unidades seladas e quatro pólos, neste desenho orientativo o rotor é demonstrado contendo duas seções, uma com três rosetas simétricas, e outra seção com outras três rosetas simétricas defasadas da primeira seção, observa-se também neste item os furos para facilitar a passagem do gás durante o processo. Em 36 e 37 observa-se como são distribuídos os discos que formam o estator, os discos são fixados na carcaça e operam de forma estática e completamente simétrica todos os discos e inclusive alinhados quando se refere às unidades seladas enquanto o rotor gira entre suas grades. Os discos são montados entre as rosetas do estator e outro disco na extremidade que conforme desenho, o disco indicado por 40 é o último disco de transferência térmica do conjunto e após o mesmo é introduzido do disco de isolamento térmico 41 de forma que a energia que é introduzida no sistema seja plenamente disponibilizada para executar a expansão do gás, melhorando o rendimento do conjunto. Com este detalhe, observa-se como há a troca simétrica entre a entrada de energia e saída que ocorrem respectivamente entre as unidades seladas, enquanto uma o gás fica completamente exposto ao calor das grades quentes, na outra o gás fica completamente exposto à retirada de calor pelas grades frias conforme o giro do rotor. Lembrando que todas as grades permanecem constantemente e continuamente sendo aquecidas e intercaladas com as outras grades que da mesma forma ficam constantemente e continuamente sendo resfriadas, conferindo portanto o processo de transferência da energia para o gás e sua retirada de forma a gerar a expansão e retração do gás para criar a conversão da energia térmica em mecânica. Observa-se portanto que o presente projeto permite dimensionar livremente o número de rosetas, número de pólos de forma a se adequar a aplicações pequenas como de grandes instalações.
Na figura 7 é claramente demonstrado como funciona o processo de troca térmica, em 44 é indicado uma das pétalas que formam a roseta a qual é o elemento mais importante do rotor, esta pétala é constituída de material isolante térmico e ocupa quase que totalmente o espaço entre os discos do estator e que desloca o gás entre os discos o sujeitando às zonas quentes e frias ciclicamente, para melhor entendimento, os segmentos dos discos 42 e 43 são grades que operam na mesma condição térmica de modo que o gás entre estas placas executem a troca térmica com alta eficiência, em 45 é indicado o movimento da pétala a qual faz o arraste do gás continuamente transportando-o das zonas quentes para as frias e vice- versa, gerando a expansão e retração. Logo abaixo na mesma figura observa-se novamente os detalhes construtivos, 46 o aspecto do estator e rotor, 47 o disco térmico e 48 o disco isolante térmico das extremidades.
A figura 8 é altamente esclarecedora, a seta indicada por 55 define a região sempre fria, portanto todas as grades do estator alinhadas a esta seta sempre estarão retirando o calor do gás através do fluido térmico que por elas passam, por outro lado a seta indicada por 54 define a região sempre quente e portanto todas as grades do estator alinhadas a esta seta sempre estarão fornecendo calor através do fluido térmico que por elas passam. A grade 49 e todas as grades a ela alinhadas, segmentos dos discos térmicos, são frias, a grade 50 e todas à ela alinhadas, são quentes. As pétalas 5 1 e 52 fazem parte do rotor e aprisionam entre elas todo o gás das unidades seladas o sujeitando sequencialmente as regiões quentes e frias. Abaixo tem-se a visão longitudinal do gás entre as grades quentes e frias. Em 56 é indicado as grades frias, o gás em retração 58, em 57 as grades quentes, o gás em expansão 59, a espessura das grades em 61 , a distância entre as grades 60. Conforme menor for a distância "x" indicado por 60 entre as grades, maior a velocidade da transferência térmica e consequentemente maior será a rotação do rotor, permitindo por sua vez a redução das dimensões do sistema para uma mesma potência.
A figura 9 mostra novamente um dos segmentos do rotor 64, a carcaça 62 e o cilindro isolante térmico 63 que possui a função de isolar, reduzir as perdas dos elementos de troca de calor, discos quentes e frios e o gás, com o meio externo.
Na figura 10 o equipamento já em sua forma final, em 67 o detalhe do aspecto de uma das unidades seladas, observa-se o rotor, parte do estator, o cilindro isolante térmico e a carcaça. Esta unidade é completamente selada, existindo apenas um duto, não detalhado no desenho, por onde escoa o gás desta unidade selada para a outra, através de uma turbina ou motor. Abaixo na mesma figura observa-se o conversor, o segmento frontal 68, uma tampa com passagem de dutos de isolamento térmico e vedações, a unidade selada alfa 69, um segmento de isolamento térmico e vedação 70, a unidade selada ômega 71 , um segmento de isolamento térmico e vedação 72, um módulo de válvulas direcionais de fluxo 73 e uma turbina 74. Detalhamentos dos acoplamentos mecânicos não fazem parte do presente trabalho.
A figura 1 1 descreve em linhas gerais duas formas de instalação e aplicação, a primeira delas em 75 indica uma instalação de grande porte constituído por um aquecedor 89 cuja energia pode ser provida por concentradores de energia solar, geotérmica, combustíveis de quaisquer espécies, sólido, líquido, gasoso, renovável ou não renovável e por meio de aquecimento através de energia atómica com isótopos radioativos, um reservatório do fluido térmico isolado 77, uma bomba de recalque para a circulação do fluido 78, as unidades seladas de transferência térmica, expansão e retração do gás 80 e 82, o resfriador 83, o reservatório de fluido térmico frio 84, a bomba de recalque do fluido frio 86, o módulo de válvulas direcionais 88, a turbina 87 e a indicação do fluxo dos fluidos térmicos, 79 e 76 respectivamente entrada e saída do fluido quente e 85 e 81 , entrada e saída do fluido frio. Na mesma figura, abaixo, 90, uma aplicação de pequeno porte, receptor do aquecimento 91 acoplado ao conjunto, tampa de acoplamento, bombeamento e isolamento 92, unidade selada 93, segmento de isolamento 94, unidade selada 95, segmento de isolamento 96, módulo de válvulas direcionais 98, turbina 97 e o dissipador de calor 99.
Na figura 12 indica um equipamento 100 com um sistema com dois conjuntos de unidades seladas, 101 e 102, indicando a flexibilidade de se construir com a mesma idéia e conceito, sistemas de múltiplas fases. Abaixo em 103 e 104 indicam respectivamente o comportamento dos ciclos de expansão e retração do gás entre os dois conjuntos de unidades seladas, em 105 o comportamento relativo que ocorre em cada conjunto de unidades seladas e em 106 a resultante do fluxo do gás nas turbinas. Em síntese, esta figura e diagramas indicam a viabilidade do uso deste conceito em grandes projetos.
Na figura 13 é indicada a aplicação de um equipamento 1 07 de porte menor em sistemas solares com pratos espelhados de concentração de energia. O sol deposita na crosta terrestre em média 1000 Watts de energia por metro quadrado. concentradores de várias concepções podem ser utilizados para dirigir a energia e conduzi-la de forma a gerar o fluxo útil para o sistema de conversão proposto.
O "Conversor de Energia Termomecânico" aqui proposto, confere alta flexibilidade para pequenas e grande instalações, alta segurança no seu emprego, considerando-se o correto procedimento técnico para seu dimensionamento, sua construção e aplicação, robustez devido a características como: baixíssimo ruído, inexistência de choques e impactos, simplicidade de processo, aplicabilidade desde pequenas instalações isoladas, residenciais, comerciais e em sistemas distribuídos.
Pelo tudo que foi exposto trata-se de um sistema que será bem recebido pelas companhias elétricas, aeroespacial, órgãos governamentais, indústrias e usuários em geral, apresenta inúmeras vantagens, tais como: grande segurança, confiabilidade e agilidade na aplicação; grande rendimento e desempenho na sua aplicação em virtude de sua concepção geral; comodidade c segurança aos usuários; grande durabilidade e resistência, aliado a um baixo desgaste do conjunto como um todo; custos plenamente acessíveis com referência aos processos e tecnologias similares o que possibilita uma ótima relação custo/benefício; prática e segura utilização por quaisquer usuários; completa proteção térmica e de pressão; baixíssimo tempo de construção; inexistência de desperdício de materiais empregados; altíssimo rendimento final; e a certeza de se ter um produto que atenda plenamente as condições básicas necessárias a sua aplicação como segurança, durabilidade e praticidade.
Todos estes atributos permitem classificar o " Conversor de Hnergia Termomecânico" como um meio totalmente versátil, eficiente, preciso, prático, ecológico, e seguro, para realizar trabalho útil ou na conversão termomecânica de energia de forma limpa, renovável, a ser aceita pelas empresas de geração de energia e pela comunidade, sendo ainda de grande facilidade de operação e manutenção, aliada ao alto desempenho e excelentes características gerais, contudo as dimensões formas de instalações podem variar diretamente de acordo com as necessidades do ambiente ou do projeto.

Claims

1 /4 REIVINDICAÇÕES
1. "Conversor de Energia Termomecânico", caracterizado por ser compreendido por unidades de transferência de energia térmica para gerar a expansão e retração de um gás, formado por grades seccionadas angularmente formando discos, de forma que cada disco tenha no mínimo duas seções quentes c duas seções frias, sendo este disco chamado de estator, por se manter estático durante o processo de conversão da energia, desta forma garantindo o balanceamento do rotor devido a esta configuração propiciar ao rotor pétalas simétricas.
2. "Conversor de Energia Termomecânico", de acordo com a reivindicação 1 é caracterizado por possuir um rotor formado por rosetas de material isolante térmico que se movimentam entre os discos que formam o estator transportando o gás ciclicamente entre as regiões quentes e frias de modo a produzir a absorção e devolução da energia durante o processo de conversão. As rosetas do rotor possuem exatamente a metade do número de segmentos de cada disco do estator e o volume tal que conforme seu movimento giratório, transporte praticamente todo o gás de uma região quente para uma fria e vice-versa.
3. "Conversor de Energia Termomecânico", de acordo com as reivindicações 1 e 2 é caracterizado por possuir discos que formam o estator com seções quentes e frias com distanciamento tal que reduza o tempo de transferência térmica da energia para o gás de forma a otimizar a transferência térmica enquanto o gás estiver exposto ao calor durante as revoluções do rotor.
4. "Conversor de Energia Termomecânico", de acordo com as reivindicações 1 , 2, 3 é caracterizado por modularidade ou facilidade de dimensionamento do estator de forma a permitir a introdução de vários discos de transferência térmica de forma a ampliar a capacidade de conversão do equipamento, sem perca de eficiência;
5. "Conversor de Energia Termomecânico'', de acordo com as reivindicações 1 , 2, 3 e 4 é caracterizado por permitir dimensionamento do rotor de forma a propiciar a introdução de várias rosetas, tantas conforme forem a 2/4 Γ
quantidade de discos de transferência térmica de forma a ampliar a capacidade de conversão do equipamento, sem perca de eficiência e cujo número de pétalas do rotor é sempre igual à metade do número de seções de cada disco do estator;
6. "Conversor de Energia Termomecânico", é caracterizado por possuir duas unidades seladas sincronizadas idênticas formadas por carcaça, estator com as grades térmicas seccionadas formando discos com regiões quentes e frias, um eixo com rotor formado por rosetas com número de pétalas igual à metade do número de seções dos discos e defasado angularmente entre si de forma que enquanto uma das unidades seladas está suprindo energia ao gás, a outra está retirando a energia de forma que o fluxo seja transformado em trabalho do gás para movimentar a turbina ou motor. As duas unidades seladas se unem através de um duto com o motor ou turbina entre eles para a conversão.
7. "Conversor de Energia Termomecânico", de acordo com as reivindicações 1 e 3 e caracterizado por possuir talas de material isolante entre os segmentos dos discos (grades) do estator de forma a minimizar o fluxo de calor entre segmentos quentes e frios;
8. "Conversor de Energia Termomecânico", de acordo com as reivindicações 1 , 3 e 7 e caracterizado por possuir anéis de isolamento térmico que separam sem contato, as grades que formam o estator do eixo de giro do rotor, de modo a minimizar o fluxo de calor entre eixo e estator.
9. "Conversor de Energia Termomecânico", de acordo com as reivindicações 1 a 8 é caracterizado por operar de forma giratória no mesmo sentido em ciclo contínuo, de forma que os processos de expansão e retração do gás seja alternado entre as duas unidades seladas, aumentando consideravelmente o rendimento da conversão.
10. "Conversor de Energia Termomecânico", de acordo com as reivindicações 1 a 9 e caracterizado por possuir os segmentos de transferência térmica que formam os discos, serpenteado por dutos para a passagem de fluido térmico respectivamente quente e frio para o transporte da energia a ser transferida e retirada do gás durante o processo de conversão. 3/4
1 1. "Conversor de Energia Termomecânico", de acordo com as reivindicações 1 a 10 é caracterizado por um rotor em forma de roseta formado por pétalas dispostas angularmente simétricas conferindo pleno balanceamento de forma a garantir vibrações reduzidas ou a quase inexistência das mesmas com referência a sistemas alternativos a pistão.
12. "Conversor de Energia Termomecânico", de acordo com as reivindicações 1 a 1 1 é caracterizado por permitir a configuração e dimensionamento de forma a obter grandes sistemas de conversão de energia termomecânica para grandes instalações de geração.
13. "Conversor de Energia Termomecânico", de acordo com as reivindicações 1 a 12 e caracterizado por possuir um sistema de transporte de energia da fonte calorífica para o interior das unidades de conversão seladas por meio de fluido térmico, permitindo o emprego de qualquer fonte de energia térmica, seja de natureza limpa e renovável, como a solar, geotérmica como por meio de combustíveis líquidos, sólidos, gasosos e atómico.
14. "Conversor de Energia Termomecânico", de acordo com as reivindicações 1 a 12 é caracterizado por possuir um sistema de transporte dc energia da fonte de resfriamento para o interior das unidades dc conversão seladas por meio de fluido térmico, permitindo o emprego de qualquer meio de refrigeração.
15. "Conversor de Energia Termomecânico", de acordo com as reivindicações 1 a 14 é caracterizado por permitir a configuração com qualquer número de pólos em função da dimensão do conversor, permitindo a otimi ação do desempenho de acordo com o uso e porte do mesmo.
16. "Conversor de Energia Termomecânico", de acordo com as reivindicações 1 a 15 é caracterizado por possuir placas paralelas em seu estator de forma alternada entre quente e fria configurando baixíssima resistência térmica na condução da energia tanto para a expansão como para a retração do gás durante o ciclo de funcionamento acelerando o processo de expansão, contração e consequentemente o trabalho gerado para a conversão.
17. "Conversor de Energia Termomecânico", de acordo com as 4/4
reivindicações 1 a 16 é caracterizado por propiciar a conversão de energia continuamente através do fluxo pelo fato de sincronizadamente haver a transferência térmica para o gás quando exposto as placas quentes da unidade selada A e quando exposto na unidade selada B.
18. "Conversor de Energia Termomecânico", de acordo com as reivindicações 1 a 17 é caracterizado por apresentar características que permitam a configuração de várias unidades seladas no mesmo sistema, sempre em pares e de forma que cada par esteja simetricamente defasada em relação aos demais pares, permitindo configurações multifases.
19. "Conversor de Energia Termomecânico", de acordo com as reivindicações 1 a 18 é caracterizado por um sistema de transferência térmica contínua e ininterrupta durante todo o processo de conversão.
20. "Conversor de Energia Termomecânico", de acordo com as reivindicações 1 a 19 e pela sua geometria em forma de segmentos angulares simétricos formando discos e rotor em forma de roseta é caracterizado por um sistema que permite através do controle da rotação do rotor em função do fluxo de energia, obter a máxima transferência térmica para o gás, consequentemente o melhor rendimento possível na conversão termo mecânica.
21 ."Conversor de Energia Termomecânico", de acordo com as reivindicações 1 a 20 é caracterizado por não possuir nenhum elemento móvel exposto ao ambiente externo, ficando portanto completamente independente da pressão do ambiente, permitindo-o operar em pressões de vácuo como em projetos espaciais.
22. "Conversor de Energia Termomecânico", de acordo com as reivindicações 1 a 21 é caracterizado por possuir volume constante nas câmaras de compressão durante todo o ciclo, garantindo maior estabilidade, menos ruídos e melhor desempenho na conversão.
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