MOTOR STIRLING TIPO GAMA: PROJETO, CONSTRUÇÃO E RESULTADOS

MOTOR STIRLING TIPO “GAMA”: PROJETO, CONSTRUÇÃO E RESULTADOS

Alexssandra Silva Pinheiro*             

Leonardo Totti Martins* 

Luís Otávio Salgado Mitidieri*

Marcos de Sousa Rodrigues*

Marcus Vinícius Moreira*

Maycon Bregalda Ferrari*

                                                                            Túlio Pereira Maia^[1]

                                        Washington Dixini Miranda*

                                                                        Prof. Dra. Déborah Reis Alvarenga Romano^[2]**

RESUMO

O desafio à construção de protótipos e criação de projetos é uma ótima ferramenta para o aprendizado em cursos de engenharia, entre um desses desafios é o desenvolvimento do motor stirling, um motor relativamente simples e barato que possibilita que os conhecimentos desenvolvidos durante o curso sejam colocados em prática. Diversas soluções são presentadas para a construção desse tipo de motor, o grupo decidiu optar pela construção de um motor simples, construído a partir de material tido como lixo ou reciclável. Com a construção desse protótipo temos como objetivo colocar os nossos conhecimentos em prática. Para isso, foram feitas pesquisas bibliográficas para entender melhor o funcionamento do motor, seus tipos e características, tendo esses dados em mãos partimos para o levantamento de informações de como construir o protótipo, sendo que ele deveria ser simples o bastante para que sua construção fosse feita a partir de materiais simples. Dessa forma foi desenvolvido um motor simples, do tipo “gama”, mas funcional que opera continuamente quando lhe é fornecido uma fonte de calor, atingindo uma eficiência máxima teórica de 33,26% e com baixo custo. O desenvolvimento deste trabalho serviu para que nossos conhecimentos fossem testados, e nos forneceu uma visão muito mais detalhada sobre o gerenciamento de projetos e de equipe.

Palavras-chave: Termodinâmica. Recicláveis. Materiais. Ciclo. Calor. Análise. Simples.

1 INTRODUÇÃO

Através deste projeto buscamos mostrar a utilização do motor e do ciclo termodinâmico de Stirling. Este trabalho abrange várias disciplinas do curso de Engenharia Mecânica como Tecnologia dos Materiais, Termodinâmica Aplicada, Resistência dos Materiais, Mecânica Dos Fluídos, Administração.

O motor Stirling é cinético e transforma energia térmica em energia mecânica com mecanismo de pistão conectado a um eixo, considerado também motor de combustão externa, esses motores foram projetados para melhorar os sistemas ferroviários e a produção nas indústrias, e visando um melhor custo e benefício. Os motores Stirling tem uma eficiência energética de cerca 45%, eficiência esta duas vezes maior (em média) que os motores a vapor, diesel e gasolina.

        

2 REFERENCIAL TEÓRICO

2.1 A era do desenvolvimento

Em pleno século XIX, as caldeiras a vapor, principais mecanismos de geração energia e trabalho, e que sustentavam a base da Primeira Revolução Industrial, eram usadas em massa. Mas como nesta época a segurança e métodos de produção eram todos artesanais, não havia segurança suficiente, seja no controle da pressão, como no de fabricação. Esse acúmulo de erros resultava em gigantes e constantes explosões, que inevitavelmente faziam vítimas fatais.

O engenheiro mecânico escocês Robert Stirling (25 de Outubro de 1760 – 6 de junho de 1878) vendo essa demanda, juntamente com seu irmão James Stirling, um engenheiro de fundições, estudou um processo com o qual a segurança era máxima, visto que neste seu projeto, as pressões eram bem baixas, comparadas às caldeiras. O processo utilizava da própria expansão e contração da massa de ar contida no interior do motor para que gerasse sucessivos ciclos, que movimentavam êmbolos que eram conectados em seu eixo.

Baseado diretamente no Ciclo de Carnot, este motor pode ser dividido em 4 etapas de funcionamento que são efetuadas por dois pistões: o de trabalho (responsável pela alternância entre fluido de trabalho quente e frio) e o deslocador (que faz com que este fluído de trabalho se aqueça ou resfrie). As etapas são descritas a seguir:

1. Calor é adicionado ao gás no interior da câmara do pistão deslocador, causando a elevação da pressão, movimentando o pistão para baixo, gerando assim trabalho no ciclo.
2. O pistão de trabalho se move para cima enquanto o pistão deslocador se move para baixo. Isso empurra o gás aquecido para o cilindro que está em contato com a fonte de resfriamento, abaixando a pressão do gás dentro da câmara. Isso facilita comprimir o gás na próxima parte.
3. O pistão de trabalho começa a comprimir o gás. O calor gerado por essa compressão é removido pela fonte de resfriamento;
4. O mesmo pistão de trabalho se move para cima enquanto o pistão deslocador se move para baixo. Isso força o gás para o interior do cilindro aquecido, onde se aquece rapidamente, aumentando a pressão, ponto no qual o ciclo se repete.

Este motor tem em média rendimento por volta de 20% a 30%. No auge de seu uso, antes do advento dos motores de combustão interna, houve desenvolvimento de motores que usavam gases inertes, como o hélio, pressurizados. Esses conseguiram rendimento de até 45%.

2.2 Tipos de motores

Todos os motores Stirling possuem uma função parecida, mas são separados em diferentes tipos, conforme a posição do seu pistão de energia e a imersão deste. Segundo Pereira (201?) eles podem ser classificados em três modelos:

2.2.1 Alfa

Há um lado quente (expansão) e um lado frio (compressão) combinados. Os dois pistões fazem o gás se mover entre ambos os espaços, e esses dois pistões geram potência de saída. Estes são conectados em série por um aquecedor e um regenerador.

Apesar de possuir configuração mais simples, o motor Alfa apresenta como desvantagem o fato de os dois pistões necessitarem de vedação por conter gás de trabalho.