segunda-feira, 8 de junho de 2015

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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Como aumentar a velocidade do motor em latas de alumínio para 1600 RPM >>>






Confira a lista de materiais de outros modelos de motores Stirling:


Manual do motor Stirling, gama, caseiro 700 rpm
Confira a lista deste modelo>>>


Confira a lista de materiais de um motor Stirling "Gama" feito em latas de spray!


Ver lista>>>










Confira a lista de materiais de um motor Stirling "Gama" feito em latas de cerveja!











Confira a lista de materiais de um motor Stirling "Alfa" simples, feito com seringas de vidro!









   Manual do motor Stirling, Alfa, 1500 rpm caseiro
Confira a lista deste modelo>>>


Confira a lista de materiais de um motor Stirling Alfa melhorado, feito com seringas de vidro!

Qualquer dúvida ou sugestões de melhorias, entrem em contato!
Leandro Wagner.

Como fazer um regenerador para um motor Stirling Alfa?


Como funciona um regenerador? 

O regenerador, absorve uma parte do calor que seria rejeitado pelo motor, e reaquece o ar frio ao entrar dentro do cilindro quente, proporcionando maior disposição de calor dentro do cilindro quente.

Um regenerador, tem um funcionamento muito parecido como um bateria, porém ele é um acumulador térmico.

Veja este vídeo abaixo, o resultado com o regenerador:






Como aumentar a velocidade do motor em latas de alumínio para 1600 RPM >>>






Confira a lista de materiais de outros modelos de motores Stirling:


Manual do motor Stirling, gama, caseiro 700 rpm
Confira a lista deste modelo>>>


Confira a lista de materiais de um motor Stirling "Gama" feito em latas de spray!


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Confira a lista de materiais de um motor Stirling "Gama" feito em latas de cerveja!











Confira a lista de materiais de um motor Stirling "Alfa" simples, feito com seringas de vidro!









   Manual do motor Stirling, Alfa, 1500 rpm caseiro
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Confira a lista de materiais de um motor Stirling Alfa melhorado, feito com seringas de vidro!

Qualquer dúvida ou sugestões de melhorias, entrem em contato!
Leandro Wagner.

Lista de materiais do motor Stirling Alfa simples

Lista dos materiais:

-2 seringas de vidro de 10ml, com ponta de metal;
-1 gravadora de DVD, para retirar 2 carcaças de motores, para o suporte;
-1 um bastão com rosca sem fim, como suporte, com 10 porcas de número 11;
-1 pequeno tubo de alumínio "5mm de diâmetro", ligação aos dois cilindros;
-1 pequeno pedaço de cano de plástico, para a emenda do tubo com a seringa;
-6 conectores de fio de luz "6mm" encontrados em lojas que vendem material elétrico residencial;
-2 raios "2,5mm" de bicicletas para colar no pistão e a sobra para as "hastes da biela";
- caso use 2 discos rígidos de notebook (HD), para as bielas, necessitará um 3ª para a estrutura do motor;
-2 cabeçotes de vídeo cassete, para virabrequim;
-1 um volante de toca fitas ou poderá usar a sobra de um cabeçote de vídeo cassete, na montagem do virabrequim;
-1 arruela grossa, para contrapeso ou um dissipador de calor de processador de computador;
-1 ou dois disco de corte "10,5cm de diâmetro", para volante;
-1 plataforma com base para o motor;
- Umas barras de alumínio ou de outro material, para montar parte da estrutura do motor;
-1 lata de Red bull, para fazer a bandeja da lamparina;
- silicone líquido de painel automotivo, será o lubrificante com devido polimento sobre o pistão;
- cola de silicone de alta temperatura essa encontrada em lojas de auto peças, se for necessário na construção de seu motor;
Alguns parafusos, metais, para a confecção do motor, cola durepox, solda de estanho e algumas coisas você deve improvisar de sua maneira, com materiais que tem a sua disposição.

Ferramentas usadas:
1 furadeira;
1 broca de 1,5mm, 2mm, 2,5mm, 2,75mm, 3mm, 4mm, 5mm, 6mm, 7mm e 8mm;
1 serrinha de cortar ferro;
1 mini morsa;
1 chaves de fenda, philips, alicate de ponta e uma normal, martelo;
1 régua ou paquímetro de plástico;
1 graxa;
1 uma canetinha;
alguns pregos, para fazer as marcações;
1 estilete;
1 tesoura;

Medidas:

- Comprimento da base do motor é 30cm;
- O curso total do pistão frio é 18,5 mm, com uma área morta na ponta da seringa de 5,5 mm (1 ml);
- O curso total do pistão quente é 17 mm, com uma área morta na ponta da seringa de  18,8 mm (3 ml);
- O tubo que interliga os dois cilindro é de alumínio, de ar condicionado, com 5 mm de diâmetro.

Está a disposição em vídeo, toda as medidas do motor:




Este 3ª vídeo, é uma demonstração do pouco atrito que o pistão deve ter dentro da seringa, para um bom funcionamento do motor: