Manual do motor Stirling: Conceito teórico do motor Stirling, para trabalhos escolares

Este blog tem como finalidade ajudar as pessoas que possuem interesse em construir seu próprio motor Stirling caseiro ou mesmo auxiliar em trabalhos escolares.

História:

Manual do motor Stirling, Robert Stirling, inventor 1816 e escocês

(Robert Stirling)
Imagem fornecida pelo
Eziel Vieira

O motor Stirling foi inventado em 1816 pelo pastor escocês Robert Stirling, visto na (fig. 1), auxiliado por seu irmão engenheiro. O objetivo foi construir um mecanismo mais seguro em relação ao motor a vapor, pois eram constantes as explosões trágicas ocorridas com as precárias caldeiras da época. O motor Stirling funciona com pressões relativamente baixas, usando de ar (ou outro tipo de gases) confinado no interior do motor, proporcionando maior segurança.

Em 1818, o primeiro motor foi construído para bombear água numa pedreira e aperfeiçoado em 1843 para utilização em uma fundição.

Como funciona o motor:

Este motor utiliza um gás como fluído de trabalho, que pode ser (por exemplo) ar, gás Hélio ou Hidrogênio. Seu funcionamento é baseado na variação do volume deste gás segundo a variação da temperatura que este é submetido, ou seja, o gás expande quando aquecido e contrai quando resfriado. É constituído por duas câmaras de diferentes temperaturas que aquecem e resfriam o referido gás de forma alternada, provocando expansão e contração, o que faz movimentar dois êmbolos ligados a um único eixo. Este tipo de motor funciona com um ciclo termodinâmico composto por 4 fases e executado em 2 tempos:

1-2 - Compressão isotérmica

2-3 - Aquecimento isocórico

3-4 - Expansão isotérmica

4-1 - Arrefecimento isocórico

Nos modelos mais simples é usado o ar atmosférico como fluído de trabalho, sobretudo nos caseiros. 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 %. 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, onde o fluido de trabalho nunca deixa o interior do motor. 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.

Este vídeo explica o funcionamento básico do motor:

Vantagens deste motor:

-> Pode ser alimentado por qualquer tipo de fonte de calor, o que inclui a queima dos mais variados combustíveis, (gás natural, óleo combustível, biomassa, diesel, gasolina, álcool, entre outros), mas também a possibilita o aproveitamento do calor proveniente de fontes de energia limpa como a luz solar ou a energia geotérmica;

-> Apresenta uma operação silenciosa - o que torna uma ótima opção para a produção de energia em embarcações navais durante à noite;

-> Também surpreende pela sua simplicidade, pois não há necessidade do uso de válvulas;
-> Baixo desgaste interno, baixo consumo de lubrificante e pouca manutenção;

-> Eficiência global em torno de 40%, o que pode tornar o motor Stirling competitivo com outras tecnologias;

-> Cerca de 25 mil horas de funcionamento até o final da vida útil;

-> Pode ser empregado também na produção de eletricidade em locais onde há boa incidência solar, com a construção de parques repletos de estruturas parabólicas ou mesmo em pequenas instalações residenciais, visando o consumo próprio. O motor transforma o calor do sol em energia mecânica, acionando um gerador para a produção de eletricidade. Deste modo, complementa a produção de energia justamente no período quente do dia (período de grande consumo), devido ao aumento do uso de aparelhos de ar condicionado.

Desvantagens deste motor:

-> Alto custo de fabricação, além da dificuldade em manter o gás confinado pressurizado no interior do motor considerando a existência de peças móveis como os pistões nos cilindros. É necessário a adoção de eficientes trocadores de calor, tanto para o aquecimento quanto para o resfriamento do motor. Somente nessa condições é possível ter um motor altamente eficiente;

-> Normalmente possuem lentas aceleração e desaceleração. Em gerar, são motores ditos de pequena densidade energética, ou seja, possuem grande tamanho para dada potência, o que torna difícil sua aplicação em automóveis;

-> Outros problemas podem aparecer quando utilizados combustíveis que deixam resíduos como carvão, diesel, gasolina. Entre os principais destacam-se ferrugem, alcatrão e partículas, que podem reduzir a eficiência do trocador de calor.

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