PROJETO DE LOCOMOTIVA EM ESCALA REDUZIDA MOVIDA POR MOTOR STIRLING

PROJETO DE LOCOMOTIVA EM ESCALA REDUZIDA MOVIDA POR MOTOR STIRLING

Resumo:

Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de apresentar um conceito de motor bastante antigo e de construção simples, porém de grande eficiência e versatilidade quando comparado a outros motores de funcionamento similar, o motor Stirling. Este tipo de motor foi concebido em meados do século dezenove, com o objetivo de substituir o motor a vapor que na época causava mortes e acidentava muitos trabalhadores que o operavam. Uma vez que o motor Stirling caracteriza-se pela combustão externa, ele pode utilizar vários tipos de combustíveis como fonte de calor, como madeira, energia solar, biomassa ou até mesmo um simples isqueiro quando falamos de um motor de tamanho reduzido. A seguir serão apresentados alguns dos tipos de motores Stirling, incluindo o tipo Alfa, modelo selecionado para o projeto da Locomotiva em escala reduzida.

Palavras-chave: Ciclo Stirling, Motor Stirling, Motor Stirling tipo Alfa.

Introdução

        

Uma das primeiras formas utilizadas pelo homem para transporte de cargas a grandes distâncias foi através das ferrovias com a utilização dos trens. Responsável por movimentar os vagões carregados, a locomotiva teve como uma de suas primeiras motorizações a versão a vapor, que utilizava uma fonte de calor como combustível, normalmente carvão, para aquecer a água e obter-se o vapor. Máquinas térmicas são sistemas que realizam a conversão de calor ou energia térmica em trabalho mecânico, quando uma fonte de calor leva uma substância de trabalho de um estado de baixa temperatura para um estado de temperatura mais alta. (ROBERT SIER, 1995). A partir desta definição conclui-se que a locomotiva nada mais é que uma máquina térmica.

A ideia principal deste trabalho é mostrar, através de uma ampla revisão literária e experimental, a aplicabilidade do ciclo termodinâmico Stirling, especificamente na geração de energia, que permite o projeto de motores que podem ser acionados por qualquer fonte de calor. Inventado por Robert Stirling no início do século XIX, este tipo de motor é caracterizado pela sua capacidade de gerar movimento através do aproveitamento do comportamento termodinâmico de um gás submetido a uma oscilação térmica periódica. (NAKAJIMA, 1989).

Os motores Stirling possuem, nas suas várias configurações, basicamente duas partes. A primeira é a parte quente e a outra é a parte fria. Esta divisão ocorre devido ao estado do gás ou fluido de trabalho durante o ciclo termodinâmico, na sua expansão e compressão, absorvendo e liberando calor. Os motores Stirling, também conhecidos como motor de combustão externa, apresentam a vantagem de poder operar com diversos tipos de combustíveis, uma vez que a combustão ocorre externamente ao motor (NAKAJIMA, 1989).

1 Funcionamento do Motor Stirling

O motor Stirling caracteriza-se por ser de construção mais fácil que o motor a vapor, pois consiste apenas de duas câmaras que proporcionam temperaturas diferentes para o aquecimento e resfriamento alternado de um determinado gás, que neste caso, será o ar atmosférico. Essa alternância entre aquecimento e resfriamento provoca expansões e contrações cíclicas que movimentam os êmbolos das câmaras que devem ser ligados a um eixo comum, ao qual se imprime um movimento de giro.

O motor Stirling é um motor térmico muito diferente do motor de combustão interna ou de um motor a vapor, uma vez que ele tem o potencial de utilizar qualquer fonte de calor como combustível e pode ser mais eficiente do que um motor movido a combustíveis fósseis. Com os limites de nossos recursos energéticos fósseis tornando-se evidentes, os cientistas e engenheiros recordaram o princípio de Stirling para utilizar fontes alternativas de energia (AFONSO, 2012).

Além do fato deste tipo de motor apresentar combustão externa, uma das características que mais diferenciam o Stirling de um motor a vapor se deve a utilização do fluído de trabalho em um único estado, que neste caso é o estado gasoso. Um motor a vapor, por exemplo, opera com água em dois estados, hora líquido, hora gasoso. O ciclo geral destes motores, por sua vez, assemelhasse ao que acontece em todas as máquinas térmicas, constituído pela compressão do gás frio, pelo aquecimento do gás, e pelo arrefecimento do gás antes da repetição do ciclo (ROBERT SIER, 1995).

Para que haja a geração de potência, o ciclo de Stirling precisa de quatro processos: compressão a temperatura constante, aquecimento a volume constante, expansão a temperatura constante e rejeição de calor a volume constante. Assim sendo, o ciclo não pode ser construído utilizando-se apenas um pistão. Os motores Stirling podem ser separados, de acordo com a forma construtiva e o funcionamento, em três grupos: Alfa, Beta e Gama, sendo o primeiro classificado como de pistões e os dois últimos de descolamento.

Segundo MARTINI, 1983, nos motores Stirling do tipo deslocamento, o gás de trabalho é movimentado doa câmara de alta para a de baixa temperatura pelo deslocador (displacer), enquanto o pistão de trabalho faz a compressão e a expansão do gás.

2 Ciclo de Stirling

O princípio de funcionamento do motor Stirling é baseado em um ciclo fechado, onde o gás de trabalho é mantido dentro dos cilindros e o calor é adicionado e removido do espaço de trabalho através de trocadores de calor. (MARTINI, 1983).

O ciclo termodinâmico de trabalho do motor Stirling é composto de quatro processos em série, os quais são mostrados na figura 1:

-Processo AB: expansão isotérmica;

-Processo BC: resfriamento isovolumétrico;

-Processo CD: compressão isotérmica;

-Processo DA: aquecimento isovolumétrico.

[pic 1]

Figura 1 – Ciclo de Stirling

Fonte: Daniel Schulz (2009)

Tem-se no motor Stirling os conceitos de uma máquina térmica bastante eficiência. Alguns protótipos construídos nas décadas de 50 e 60 chegaram a índices de eficiência de 45%, superando até os motores a gasolina ou diesel, que em suas versões mais eficientes chegam a valores próximos de 40%. Dentre outras vantagens deste motor pode-se ainda citar que ele é pouco poluente, pois possui apenas uma fonte de calor que faz a queima completa do combustível. Entretanto, como desvantagens podem ser ressaltadas a irregularidade de sua velocidade de trabalho e sua dificuldade de dar partida, o que dificilmente ocorre sem um estimulo externo(AFONSO, 2012).