A Introdução ao Motor Stirling

1. Objetivo do trabalho:

2. Introdução ao Motor Stirling:  

O desenvolvimento crescente no método de aprimorar processos da origem a produtos cada vez mais facilitadores desses, o motor stirling surgiu da necessidade de buscar melhorias de eficiência e maior segurança na geração de “trabalho mecânico” proporcionada pelos motores e maquinas térmicas. As maquinas a vapor no início do século XIX apresentavam altos riscos de operação devido as elevadas pressões exercidas nas caldeiras que se rompiam em função de precária tecnologia metalúrgica causando acidentes e desgastes energéticos indesejáveis.

Em 1816 Robert Stirling e seu irmão James stirling, desenvolvem o motor stirling com a intenção de criar uma máquina térmica não dependente de vasos de pressão ou caldeiras que oferecem riscos de operação ao trabalhar com elevadas pressões, buscava-se a ideia básica de converter qualquer diferença de temperatura disponível em trabalho e movimento. O protótipo patenteado por robert também conhecido como o “Economizador de Robert stirling”, devido a simplicidade em sua fabricação, a segurança, o funcionamento silencioso, limpo, e principalmente a utilização de qualquer combustível o tornaram muito popular na época, as primeiras versões eram de baixa potência 100 watts a 4 quilowatts.

O motor stirling proporcionou um diferencial em relação aos motores de combustão interna, são semelhantes por trabalharem com processos de transferência de calor, gera potência e energia mecânica a partir do calor, mas a obtenção de calor no stirling é externamente o classificando como um motor de combustão externa, essa diferença em se ter uma combustão externa cria um vasto interesse por este tipo de equipamento. Os motores de combustão interna queimam combustível dentro dos cilindros ou câmaras, são limitados a poucas variações de combustíveis, o que já não acontece com o motor stirling que praticamente funciona com qualquer tipo de combustível, fontes de calor solar, derivados do petróleo, biomassa, calor proveniente do corpo humano, energia nuclear, e infinitos recursos que processados ou queimados gerem calor.

O motor stirling utiliza gases atmosféricos como fluidos que “trabalham” nas diferenças de temperaturas entre as câmaras que o compõem, expandem e comprimem, sofrem resfriamento e aquecimento alternadamente. Diferente dos motores de combustão interna esses fluidos não saem em forma de resíduos gasosos eles são utilizados em um ciclo fechado de trabalho.

O aprimoramento do motor stirling com o passar dos anos através de variações de seus modelos mecânicos mostram superioridade em eficiência maior que os motores tradicionais de combustão interna, alguns desses modelos chegam a registrar índices de 45% de rendimento, o motor do carro popular a gasolina tem índices bem menores inferiores a 30%.

Máquina térmica consideravelmente eficiente esse motor segue um princípio fundamental de funcionamento, o gás em seu interior geralmente ar, hidrogênio ou hélio, é aquecido por uma fonte externa de calor, eleva a pressão que empurrara o pistão gerando deslocamento através de um sistema mecânico de movimento. Ao atingir a câmara fria a massa de gás é resfriada assim diminuindo a pressão exercida no mecanismo que retorna a posição inicial, o ciclo se repete com frequência fazendo o motor funcionar em processos de ciclos onde não há ignição, explosão ou carburação.

   

   

 

3. Descrição do Motor Aplicada ao Ciclo Stirling:

Três variações do motor são mais conhecidas como também utilizadas, os modelos alfa, beta e gama. Antes de desenvolver o protótipo uma análise das vantagens e desvantagens das características gerais da “maquina stirling” e do ciclo termodinâmico que rege seu funcionamento vai permitir uma construção focada em otimizar e obter a máxima eficácia no desenvolvimento do projeto para posteriormente se ter a eficiência desejada.

3.1 Vantagens

O calor sendo fornecido por fonte externa permite o controle maior da mistura ar-combustível;

É um processo continuo de combustão, a emissão do residual combustível não queimado é reduzido, menor emissão de poluente.

Opera com valores baixos de pressão comparados a outros motores oferecendo menores riscos operacionais.

É relativamente menos complexo facilitando sua manutenção.

Partida fácil, não tem sistema de ignição, apresenta baixas vibrações, tem maior eficácia do que os de combustão interna em climas frios.

3.2 Desvantagens

A razão peso-potência é elevada;

A potência fornecida é constante, dificilmente variada o que o torna inviável para projetos como automóveis.

Partida apesar de ser fácil é demorada comparada aos motores elétricos e de combustão interna;

A contenção do fluido de trabalho que não pode “vazar”, exige ótima vedação e um controle rígido para mantê-lo.

3.3 O ciclo Stirling

A termodinâmica fornece os princípios e descrevem os fenômenos físicos que ocorrem dentro do motor stirling e consequentemente no protótipo. As variações térmicas e volumétricas do fluido de trabalho é descrita pelo ciclo stirling na imagem 1;

Segundo Martini (2004) o ciclo Stirling é definido como uma seqüência de processos de compressão e expansão isotérmicas de um gás, com seu aquecimento e resfriamento a volume constante. O ciclo Stirling pode ser descrito por dois processos isotérmicos e dois processos isocóricos. Este ciclo pode ser usado tanto para produzir trabalho mecânico a partir de energia térmica, quanto para transferência de calor a partir de energia mecânica.

[pic 1]

O processo 1-2 consiste em uma compressão isotérmica na região de baixa temperatura na câmara fria;

2-3 é o processo de transferência de calor a volume constante;

3-4 expansão isotérmica, o gás expande a temperatura constante;

4-1 Troca o calor com a fonte fria, acontece a queda de pressão com volume constante.

Esta é uma demonstração do ciclo ideal, logo as transferências de calor ocorrem somente nos processos isotérmicos e consequentemente o rendimento deste ciclo é igual ao rendimento do ciclo de Carnot que opera entre as mesmas temperaturas. Mas esta igualdade ideal com o ciclo de Carnot não ocorre na realidade já que existem muitos processos irreversíveis, atritos viscosos e mecânicos do fluido de trabalho e dos componentes, além de trocas de calores indesejadas.