Manual do motor Stirling

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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