O funcionamento de um motor de combustão externa

Introdução

O presente trabalho tem por objetivo estudar o funcionamento de um motor de combustão externa. Para que o aluno adquira uma sólida base conceitual dos processos termodinâmicos para que possa compreender os fenômenos associados aos conceitos de temperatura e calor, e também para descrever um sistema termodinâmico. Também para poder compreender a primeira Lei da Termodinâmica como Princípio da Conservação de Energia nas transformações ou processos termodinâmicos, reconhecendo o calor como uma forma de energia.

O motor Stirling é um motor de combustão externa, aperfeiçoado pelo pastor escocês Robert Stirling em 1816, auxiliado pelo seu irmão engenheiro. Este tipo de motor funciona com um ciclo termodinâmico composto de 4 fases e executado em 2 tempos do pistão: compressão isotérmica (=temperatura constante), aquecimento isométrico (=volume constante), expansão isotérmica e resfriamento isométrico. Este é o ciclo idealizado (válido para gases perfeitos), que diverge do ciclo real medido por instrumentos. Não obstante, encontra-se muito próximo do chamado Ciclo de Carnot, que estabelece o limite teórico máximo de rendimento das máquinas térmicas.

O gás utilizado nos modelos mais simples é o Ar, em versões de maior potência, podem ser usados gases como Hélio ou Hidrogênio, normalmente submetidos a pressões de até 200 Bar (2900 PSI) no interior do motor, o que permite chegar a uma eficiência energética de até 45%, superando facilmente os tradicionais motores de combustão interna, como aqueles movidos a gasolina ou diesel, que possuem uma eficiência entre 20% e 30 %. Ao contrário dos motores de combustão interna, o fluido de trabalho nunca deixa o interior do motor.

Este tipo de motor é considerado multi-combustível pois pode utilizar praticamente qualquer fonte energética: gasolina, etanol, metanol, gás natural, óleo diesel, biogás, GLP, energia solar, calor geotérmico e outros. Basta gerar uma diferença de temperatura significativa entre a câmara quente e a câmara fria para produzir trabalho (quanto maior a diferença de temperatura, maior é a eficiência do processo e mais compacto o motor).

Esses gases de alta condutividade térmica, absorvem energia térmica (calor) com maior rapidez e têm menor resistência ao escoamento (menor fricção do gás pelo caminho que percorre dentro do motor), refletindo em um maior desempenho. Trata-se de uma máquina de ciclo fechado. O emprego da água consiste para o resfriamento da parte superior do cilindro (lado frio), evitando que sobre aquecimento e mantendo maior diferença de temperatura possível entre as duas câmaras.

Embora o motor Stirling original tenha sido patenteado em 1816 pelo escocês Dr. Robert Stirling, os sistemas solares são desenvolvimentos relativamente recente. O sistema consiste de um espelho parabólico que rastreia e captura a luz solar e a reflete para dentro de um motor Stirling situado no ponto focal do espelho. O motor Stirling então aciona um alternador para gerar energia elétrica. Ele pode trazer eletricidade para áreas que possuem grande intensidade de iluminação solar mas não têm linhas de transmissão elétrica. Pode ser aplicado para bombeamento de água ou até mesmo dessalinizar água.

O prato concentrador de energia solar rastreia o sol através do céu e usa 16 painéis circulares cobertos com uma membrana metálica de baixo custo e espelhos para focalizar o calor para dentro do sistema do dispositivo Stirling. O motor converte o calor em eletricidade fazendo girar um eixo acoplado a um gerador.

O sistema também pode ser usado com combustíveis alternativos líquidos ou gasosos como diesel, biogás, propano, gás natural e álcool para suplemento ou suplantar o calor solar necessário à noite ou em dias nublados. Esta forma de tecnologia não tem mais do que trinta anos e estima - se que esteja amadurecida por volta de 2010. O que a torna particularmente interessante, é a eficiência de conversão em torno de 25 a 30%, alcançada em algumas demonstrações deste tipo de sistema. Isto é significativamente maior do que a da convencional tecnologia fotovoltaica.

Alguns destes dispositivos já operam nos Estados Unidos, como na Carolina do Sul. Companhias como a SES – Stirling Energy Systems, têm investido no rápido desenvolvimentos dos sistemas solares. Alguns projetos do Departamento de Energia do Estados Unidos estão voltados para o desenvolvimento de motores Stirling de pequena escala utilizando biomassa como combustível, para uso residencial. Também existem pesquisas no Japão e na Europa para aplicação do motor Stirling utilizando gás natural como combustível. A tecnologia de uso de energia solar encontra-se em fase adiantada de estudos e desenvolvimento.

1° Lei da Termodinâmica

Chamamos de 1ª Lei da Termodinâmica, o princípio da conservação de energia aplicada à termodinâmica, o que torna possível prever o comportamento de um sistema gasoso ao sofrer uma transformação termodinâmica.

Analisando o princípio da conservação de energia ao contexto da termodinâmica:

Um sistema não pode criar ou consumir energia, mas apenas armazená-la ou transferi-la ao meio onde se encontra, como trabalho, ou ambas as situações simultaneamente, então, ao receber uma quantidade Q de calor, esta poderá realizar um trabalho e aumentar a energia interna do sistema ΔU, ou seja, expressando matematicamente:

Sendo todas as unidades medidas em Joule (J).

Aplicando a lei de conservação da energia, temos:

ΔU= Q - → Q = ΔU +

• Q - Quantidade de calor trocado com o meio:

• Q > 0 - O sistema recebe calor;

• Q < 0 - O sistema perde calor.

• ΔU - Variação da energia interna do gás:

• ΔU > 0 - A energia interna aumenta, portanto, sua temperatura aumenta;

• ΔU < 0 - A energia interna diminui, portanto, sua temperatura diminui.

• - Energia que o gás troca com o meio sob a forma de trabalho:

• > 0 - O gás fornece energia ao meio, portanto, o volume aumenta;

• < 0 - O gás