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1. BRPI9405560 - Máquina de calor e de frio

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Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÁQUINA DE CALOR E DE FRIO".
A invenção refere-se a uma máquina de calor e de frio, que opera de acordo com um processo de circuito de gás regenerativo, com dois pistões em linha móveis em uma carcaça vedada contra pressão que delimitam em conjunto um volume de trabalho a quente e sendo que um deles limita um volume de trabalho a quente para o qual é empregado o calor, e o outro limita um volume de trabalho a frio, sendo que os três volumes de trabalho estão interconecta-dos por meio de regeneradores e transmissores de calor, e está previsto um acionamento e/ou um comando para os pistões .
Máquinas de calor e de frio desse tipo, que operam de acordo com um processo de circuito de Vuilleumier ou de Stirling, por exemplo, são conhecidas há muito tempo, por exemplo da GB-PS 136 195. Todavia, apesar das vantagens incontestáveis dos processos de circuito de gás regenerativo, eles não puderam ser postos em prática, principalmente devido às dificuldades de construção, que impediram, até aqui, a realização na prática, das vantagens teóricas de máquinas desse tipo. Publicações mais recentes, por exemplo, a EP 0 238 707 A2, também ee ocu- pam mais com considerações teóricas do que com execuções de máquinas de calor e de frio desse tipo.
A fim de possibilitar uma fabriçào industrial de máquinas de calor e de frio desse tipo, que podem ser empregadas no serviço diário, que partem de protótipos, é necessário otimizar os componentes individuais dessas máquinas. A tarefa que cabe à invenção é a de aperfeiçoar uma máquina de calor e de frio do tipo definido no início, de tal forma que resulte uma introdução do calor no volume de trabalho a quente com dimensões externas pequenas e elevada resistência à pressão dos componentes participantes, que além do aper eiçoamento da transmissão de calor, possa apresentar uma espessura da parede a menor possível .
A solução dessa tarefa por meio da invenção é caracterizada pelo fato de que o calor é introduzido no volume de trabalho a quente através de uma parede divisória curvada para dentro ou para fora que forma uma parte da carcaça vedada à prova de pressão, a qual é conformada como uma abóbada, de preferência, como seção cónica, em particular, semi-esfera, e está ligada à prova de calor com a carcaça.
Por meio da parede divisória curvada para dentro ou para fora, que ao mesmo tempo, é parte da carcaça ã prova de pressão, resulta, por um lado, uma superfície grande em dimensões externas dadas, no caso de alta resistência à pressão, da superfície que transmite calor, e por outro lado, a possibilidade de escolher uma espessura da parede pequena, a fim de aperfeiçoar a transmissão de calor. Por meio do isolamento de calor da parede div sória curvada em relação à carcaça, é evitado um desvio de calor da parede divisória na carcaça, e com isso, nas imediações, que piora a eficiência.
De acordo com uma outra característica da invenção, a parede divisória pode ser equipada com nervuras que aumentam a superfície do lado interno ou externo. Além disso, de acordo com a invenção, é possível equipar a área da borda do lado externo da parede divisória com canais de corrente formados, por exemplo, por meio de nervuras ou chapas de guia aumentando a velocidade dc corrente do meio que fornece o calor.
Em u a outra forma de execução preferida da i venção o calor a ser introduzido é produzido por meio de um gerador de cal r, com elevado teor de rradi ção, sendo que as dimensões da máquina de calor e de frio dc acordo coiu a invenção, podem ser reduzidas. Como gerador de calor de acordo com a invenção, pode ser empregado um queimador de gás com uma superfície do queimador adaptada ao contorno incandescente da parede divisória.
A fim de minimizar espaços mortos entre o pistão quente e a parede divisória, para a introdução de calor, e melhorar a transmissão de calor da parede div sória para o meio de trabalho no volume de trabalho a quente, o pistão quente, de acordo com a invenção, c conformado com um fundo de pistão adaptado ao contorno da parede divisória curvada, sendo que, por meio da abóbada do fundo do

pistão, a espessura da parede pode ser reduzida no caso de resi tência igual da mesma forma, de tal modo que o peso do pistão quente pode ser reduzido.
Com a invenção, finalmente, ê sugerido, equipar í> o ado nterno da parede divisória na área da borda, coin canais de corrente formados, por exemplo, por meio de nervuras ou chapas de guia que aumentam a velocidade da corrente, a fim de melhorar, deste modo, a distribu ão de calor da parede divisória para o meio de trabalho, no 10 volume de trabalho a quente.
Por meio do aperfeiçoamento de acordo com a venção, de uma máquina de calor e de frio na área da introdução de calor produzido por meio de um gerador de calor, no meio de trabalho que se encontra no volume do ]!) trabalho a quente, é obtida uma construção prática, que por um lado, aumenta a eficiência da máquina de calor c de frio, c por outro lado, possibilita uma produção industrial de máquinas desse tipo.
No desenho está representado um exemplo dc exo-?0 cuçâo de uma máquina de calor e de frio de acordo com a nvenção, e na verdade, são mostrados:
Fig. 1 um corte longitudinal através da parte da máquina que envolve os dois p stões e a carcaça à prova de pressão e
?í> Fig. 2 uma representação do corte representado de forma ampliada de uma forma de execução variada da parede div sória.
Λ máquina representada na fig. 1 abrange uma
carcaça 1 à prova de pressão conformada como um cilindro do base circular que está equipado em uma de suas extremidades com um flange la, no qua] está aparafusada uma carcaça de motor ? com um respectivo í3 auge 2a. Λ carcaça de motor ? está representada apenas em parte. Entre os fl ug s 3a e 7a está disposto um fundo 3 à prova de pressão, que fecha uma das extremidades da carcaça 1.
Na outra extremidade a carcaça 1 à prova de pressão está equipada com uma cobexta da carcaça 4, que no exemplo de execução, está aparafusada com a carcaça cilíndrica 3 através de rosca, e na qual está disposto um gerador de calor em forma de um queimador de gás 5. Ksse queimadoi de gás abrange um tubo de alimentação 5a cilíndrico, para o gás de combustão, gue está equipado, do lado da saída, com uma semi-esfera de dosagem 5b. Concêntrica a essa semi-esfera de dosagem 5b está disposta uma supcifície do queimador 5c constituída de mna tela de aço inoxidável, que atua como superfície de reação, que J imita a câmara da afluência de gás e, no caso do aciona ento do queimador de gás, fica incandescente de tal forma que o queimador de gás 5 produz uma grande parte do calor produzido poi meio de irradiação. Os gases de combustão formados são extialdos de uma câmara de combustão 5d que circunda a superfície do queimador 5c em forma de semi-esfera, por meio de um tubo de gás de escapamento 5e, que circunda o tubo de alimentação 5a do queimador de gás 5 concmtricamente .
O calor produzido pelo queimador de gás 5 é for- necido por irradiação e por convecção a uma parede divisória 6, que como seção cónica de rotação simétrica, no exemplo de execução é conformada conto semi-esfera, e se curva no interior da carcaça 1. No exemplo de execução a abóbada em forma de semi-esfera passa com intervalo constante em relação à superfície em forma de semi -esfera do queimador 5c, do queimador de gás b.
A parede divisória 6 executada como parte da carcaça 3 à prova de pressão, está ada em um anel de suporte 6a, que está ligado com a extremidade da carcaça 3 cilíndrica, através de um prolongamento 6b tipo membrana. No caso do exemplo de execução as duas ligações ocorrem por meio de soldagem. Por meio do emprego de auéi s de isolamento 7a e 7b, que estão dispostos respectivamente e um lado do prolongamento 6b tipo membrana, de um lado estão dispostas a coberta da carcaça , o de outro lado, a carcaça 3, a condução de calor pela parede divisória C aquecida pelo queimador de gás b para a carcaça 1 v. sua coberta da carcaça 4, e com isso, nas imediações é reduzida de modo cons derável.
0 calor produzido pelo queimador de gás b c recebido pela parede divisória é fornocjdo pelo lado interno da parede div sória 6 a um meio de trabalho, de preíc-jéne a, hél o, que se encontra em um volume de traba ho a quente Vn.Esse volume de trabalho a quente, é limitado por um lado, pela parede divisória 6, e por outro lado, pe o fundo do pistão 8a de um pistão 8, que está d posto cm uina carcaça 3 e pode mover-se linearmente. Esse pistão
8 está ] j gado através de uma haste do pi stão 8b com uin motor c um comando, dispostos na carcaça do motor ?, que não estão representados no desenho.
O pistão 8 limita, em conjunto com um outro pistão 9, um meio de trabalho a quente Vw. 0 pjstâo 9 conduzido, da mesma forma, na carcaça D mov mentando-se em -linha, por fim, ] imita em seu interior, um volume de trabalho a frio V¾. Esses três volumes estão nterconectados por meio de regeneradores Rn, Rfc e transmissores de calor Ww, Wfc. 0 regenerador Rn disposto na parto quente da carcaça 1, acumula uma parte do calor produzido no volume dc trabalho a quente Vn no percurso do processo do circuito dc gás regenerativo; o regenerador R¾ disposto na parte fria da carcaça 1 exerce a função correspondente ao volume de trabalho a frio V.
Ao transmissor de calor Wj^ no exemplo de execução, disposto fixamente no fundo 3 dentro do pistão 9 frio, c conduzido continuamente um meio extraído das imediações através de uma tubulação 3a disposta no fundo 3, que após a subtraçâo de uma parte de seu conteúdo de calor através de um condutor 3b, é reconduzido nas imediações. O transmissor de calor Ww é alimentado por meio das tubu ações de conexão ] Oa e 10b, com um meio de transm são de calor, cujo aquecimento presta-se ã produção de energia no caso de emprego da máquina como máquina de calor .
Devido à abóbada da parede divisória C no interior da carcaça 1 à prova de pressão, resulta não só uma resistência à pressão aumentada pela forma geométrica, que possibilita uma redução da espessura da parede divisória G que pertence à carcaça 1 à prova de pressão, mas tambóm um aumento da superfície que transmite calor, en- b tre o queimador de gás 5 e o volume de trabalho a quente Vn. Λ pequena espessura da parede, da parede div sória 6 melhora, nesse caso, a transmissão de calor do queimador de gás 5 para o meio de trabalho que se encontra no volume de trabalho a quente Vn. O isolamento térmico, no

10 exemplo dc execução formado pelos anéis de isolamento 7a e 7b, assim como pelo prolongamento Gb tipo membrana, i sol amento este entre a parede divi sór a 6 e a carcaça ] , reduz simultaneamente uma condução de calor da parede divisória 6 à carcaça 1, e com isso às imediações, pelo que

1b resulta um outro aperfeiçoamento da eficiência.
Como se depreende da fig. 1, a fornia do fundo do pi stào 8a do pi stão quente 8 está adaptada à orma da parede divisória 6 curvada. Desse modo, não só os espaços mortos entre a parede divisória 6 e o pistão quente 8 po- ?0 dem ser reduzidos a um mínimo, quando o pistão quente 8 se encontrar em sua posição final adjacente à parede divisória 6; ao mesmo tempo, por meio dessa conformação adaptada 6 obtida uma alta velocidade da corrente, c com isso, uma melhor transmissão de calor, se no percurso do

?b processo do circuito de gás, o meio de trabalho, do qual corre o volume de trabalho a quente Vn que se reduz, através do regenerador Rn e do transmissor de calor Ww no compartimento para o volume de trabalho a quente Vw, que c formado entre os dois pistões 8 e 9,
Uma vez que a abóbada do fu do do pi stão fia adaptada à parede divisória 6, em virtude da elevada estabilidade da forma produzida desse modo, a espessura da parede do fundo do pistão 8a, também pode ser reduzida, além disso, podem ser reduzidas perdas pelo desvio do calor do volume de trabalho a quente ν¾, através do pistão quente 8.
A fim de aumentar, por um Dado, a superfície da paiede divisória 6 que se deve à recepção de calor, e poj outi o lado, â produção de calor, ela pode ser equipada no seu Dado externo e/ou interno com nervuras superficiais ampliadas · 0 exemplo de execução de acordo com a fig. 2 mostra uma possibilidade alternativa ou adicional para o aperfe çoamento da transmissão de calor da parede interna da parede divisória 6 para o meio de trabalho que se encontra no volume de trabalho a quente jj, em forma de uma chapa de guia 33 disposta na área da borda da parede divisória C. Essa chapa de guia 11 forma canais de corrente na área da borda da parede divisória G, com pequena seção transversa] de corrente, de tal forma que o meio de trabalho que deixa o meio de trabalho a quente Vjj é conduzido coin alta velocidade de corrente através da área da borda da parede divisória 6, antes que o meio de trabalho entre no regenerador !¾. Com essa medida também está ligado um melhoramento da eficiência.
A disposição de uma chapa de guia 11 desse tipo, também pode ser deduzida da representação ampliada de uma parede divisória 6, de acordo com o segundo exemplo de execução de acordo com a fig. 2. Essa forma de execução alternativa, além disso, também mostra chapas de guia 17 dispostas no lado externo da parede divisória 6 curvada, pela qual os gases que deixam a câmara de combustão 5d são obr gados a correr, com alta velocidade de corrente, através de grande parte da superfície que fica externa à parede divisória 6, de tal forma que se ajuste uma boa passagem de calor do gás de combustão que produz calor para a parede divisória 6 que recebe calor.


LISTA DOS NÚMEROS DE KEKERÉNCIA
3 Gehause - carcaça
3a Flansch - flange
? Motorgehãuse - carcaça do motor
?a Flansch - ílange
3 Boden - fundo
3a liojtung - tubulação
3b Iicdtung - tubulação
4 Geha scdcckel - coberta da carcaça í) Gasbrenner - queimador de gás
ba Bufuhrrohr - tubo de alimentação bb Dosi erhalbkugel - semi-esfera de dosagem bc Brennerflache- superfície do queimador

5d Brennraum - câmara de combustão
bc Abga&rohr - tubo de gás de escapamento

6 Trennwand - parede divi sória
6a Tragring - anel de suporte
6b Verlangerung - prolongamento
7a Isolierring - anel de isolamento
7b solierring - anel de isolamento
8 heisser Kolben - pistão quente
8a Kolbenboden - fundo do pistão
8b Kolbenstange - haste do pistão
9 kalter Kolben- pistão frio
30a Anschlussleitung - tubulação de conexão

30b Anschlusslei tung - tubulação de conexão

13 Leitblech - chapa de guia
3? Leitblech - chapa de guia V heieses Arbeitsvolumen - volume de trabalho a guentc
Vw warmes Arbeitsvolumen - volume de trabalho a quente
ν¾ kaltes Arbeitsvolumen - volume de trabalho a f io
Kj) heieeer Regenerator - regenerador quente

¾ kalter Regenerator - regenerador frio
Ww Warmeubertrager - transmissor de calor
Wjí Warmeubertrager - transmissor de calor