PROJETO INTERDISCIPLINAR DE CURSO: MOTOR STIRLING

PROJETO INTERDISCIPLINAR DE CURSO: motor stirling

Deleon Ferreira

RESUMO

Esse artigo tem como tema o estudo dos motores Stirling, que teve seu primeiro protótipo desenvolvido em 1815 pelos irmãos James e Robert Stirling, na busca por uma alternativa mais segura para os motores a vapor convencionais da época. Com base em pesquisas realizadas através da internet e livros, o grupo procurou elaborar um protótipo do motor, calculando sua eficiência, evidenciando as vantagens e desvantagens, e mostrando algumas aplicações para o motor em questão.

1 INTRODUÇÃO

Devido à necessidade de uma alternativa mais segura para os motores a vapor, que explodiam com muita frequência quando submetidos à alta pressão, os irmãos Stirling desenvolveram o motor de ar quente, denominado hoje como Motor Stirling.

O projeto a seguir consiste na pesquisa da influência desse motor na história, sua aplicabilidade bem como na confecção de um protótipo para a compreensão prática do funcionamento do motor Stirling e cálculo de sua eficiência.

2 BIOGRAFIA DE ROBERT STIRLING

Robert Stirling nasceu em 25 de Outubro de 1970 em Gloag, no condado de Perthshire, na Escócia, e faleceu em 6 de Junho de 1878 em Galston, cidade localizada a cerca de 30km ao sul de Glasgow. Foi o terceiro filho de uma família de oito, e um brilhante aluno tanto na escola quanto na universidade. Estudou na Universidade de Edimburgo de 1805 a 1808, onde teve Latim, Grego, Lógica, Matemática e Direito, também estudou Teologia na universidade de Glasgow. Casou-se em 10 de Julho de 1819, com Jean Rankin, nascida em 27 de Junho de 1800. O casal teve sete filhos. Os seus quatro rapazes se tornaram engenheiros ferroviários (Patrick, William, Robert e James), outro, optou por se tornar um clérigo (David), e uma das filhas foi conhecida por ser uma artista plástica. A outra filha esteve sempre envolvida com as ideias dos seus irmãos relativas à engenharia. É de realçar o fato de que a família tinha forte tendência para atividades tecnológicas.

Foi o inventor de hoje denominado Motor Stirling, auxiliado pelo seu irmão engenheiro, visavam substituir o motor a vapor, com o qual o motor Stirling tem grande semelhança estrutural e teórica. No início do século XIX, as máquinas a vapor explodiam com muita frequência, em função da precária tecnologia metalúrgica das caldeiras, que se rompiam quando submetidas à alta pressão. Sensibilizados com a dor das famílias dos operários mortos em acidentes, os irmãos Stirling procuraram conceber um mecanismo mais seguro. É referido também como “motor de ar quente”, por se utilizar os gases atmosféricos como fluido de trabalho. Deste modo, o ciclo de Stirling é muito parecido com o conhecido Ciclo de Carnot.

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Figura 1 - Robert Stirling.

Fonte: Hirata.

2.1 A história do motor Stirling

Durante os primeiros dias da Revolução Industrial, os irmãos James e Robert Stirling estavam procurando uma alternativa mais segura para os motores a vapor convencionais da época. Em 1815, eles inventaram o chamado Mecanismo de Stirling e construíram um primeiro protótipo. A patente original n° 4081 de 1816 tinha o obscuro título: “Improvements for Diminishing the Consumption of Fuel, and in Particular an Engine Capable of Being Applied to the Moving (of) Machinery on a Principle Entirely New – Melhora para Redução do Consumo de Combustível, e em Particular um Motor Capaz de ser Aplicado ao Movimento de Máquina com um Princípio Completamente Novo”. Nesta patente, Robert Stirling não apenas descrevia a construção e o uso do regenerador pela primeira vez na história, como também prevê as suas principais aplicações, como para fornos de vidros ou para fusão de metais. Também está incluída uma descrição do primeiro motor de ciclo fechado.

O motor Stirling utilizava ar, ao invés de vapor, como fluido de trabalho. Dessa forma era evitado o risco de explosão dos motores a vapor, muito comum naqueles dias. As caldeiras a vapor explodiam frequentemente fazendo vítimas, devido a problemas de projeto, má qualidade dos materiais, ausência de regras de utilização e manutenção. Foram esses desastres, aliados às descobertas científicas e tecnológicas, que levaram Robert Stirling a imaginar um motor sem caldeira, submetido a fortes pressões. O dispositivo Stirling foi utilizado pela primeira vez em 1818 para bombear água para uma pedreira, além de ser utilizado para retirar água de poços.

Em 1843, as alterações ao desenho feitas por Stirling e pelo seu irmão tinham já permitido um aumento de potência suficiente para mover máquinas numa fundição em Dundee na Escócia, ainda que com muitos problemas técnicos.

Em 1856, o engenheiro Sir henry Bessener (1813-1898), durante a guerra da Criméia, desenvolveu e produziu um aço especial destinado à construção de canhões, revolucionando também a técnica e a fabricação de caldeiras de vapor. As caldeiras fabricadas com esse aço podiam operar com temperaturas muito mais elevadas e, portanto, com maiores pressões, sem o perigo de explodirem. Dessa forma, não só a segurança, mas, principalmente, o rendimento das máquinas térmicas a vapor foi substancialmente aumentado.

A dinâmica simples e elegante do engenho de Stirling foi explicada em 1850 pelo professor McQuorne Rankine. Passados uns cem anos Rolf Meijer cunhou o termo “Motores

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de Stirling” para generalizar todos os tipos de engenhos regenerativos de circuito fechado a ar ou gás e com aquecimento externo. Entretanto, a invenção mais importante de Stirling talvez tenha sido o que ele chamou de “regenerador” ou “economizador” que é usado nos Motores de Stirling, e em várias outras aplicações, para aumentar a eficiência e também para economizar energia, muito antes de terem sido estabelecidas as leis da termodinâmica. Os Motores de Stirling são únicos, como “engenhos” térmicos, devido ao fato de que sua eficiência é muito próxima da máxima teórica,