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:

(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 >>>

O que diferencia o motor Stirling Gama do Alfa >>>

Quais são os tipos de motor Stirling >>>

O que é um motor Stirling Gama?   O que é um motor Stirling Alfa?      O que é motor Stirling Beta?

                    

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

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 deste modelo>>>

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

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Confira a lista deste modelo>>>

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

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Confira a lista deste modelo>>>

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

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Qualquer dúvida ou sugestões de melhorias, entrem em contato!

Leandro Wagner.

Esencial tener una baja fricción y sellado eficaz para la velocidad del motor Stirling.

Mucha gente me pregunta, "¿Por qué es mi motor no tiene los mismos ingresos que el motor del Manual Stirling Engine?". La respuesta está en este video!

En general, cuando una persona comienza a construir su primer motor, tiene de inmediato una preocupación con los pasos de ideas para la fabricación de un buen motor, pero no dan la importancia debida a la fricción o incluso el sello, que a veces limita el rendimiento el motor o no funciona.

Si el cigüeñal, con el pistón desplazador, son prácticamente sin fricción y una buena estanqueidad, ya se garantiza un buen funcionamiento del motor, independientemente del curso de medida que tiene el motor.

Ahora sigue algunas pautas que se deben seguir a la letra:

- Montaje del motor, una prueba debe ser de pistón desplazador fricción en el interior del cilindro caliente, el pistón desplazador para mover o girar en una segunda lata de aluminio, el peso de la lata debe ser suficiente para que el puede permanecer de pie en su lugar sin la necesidad de manténgalo en esa.

- Al girar el eje (cigüeñal) sin rueda, como se ve en el momento "02:02" video de arriba, el eje mostrará el movimiento de ida y vuelta antes de parar por completo. Si no lo ocurrir, el cigüeñal se puede doblar (torcida) o cojinetes (monedas) con el agujero es muy justo;

- Una vez más debe repetir el ensayo anterior, pero esta vez con el pistón desplazador CONECTADO con el cigüeñal y el pistón de trabajo cigüeñal DESCONECTADO para la verificación de la fricción, como en el presente "1:29", donde incluso con desplazador pistón al cigüeñal CONECTADO, el eje debe presentar la moción viene y se va antes de parar por completo.

- Este modelo de motor, el sello no es el punto más crítico para que el motor tiene un funcionamiento simple, sin embargo, si el objetivo es tener un motor con un rendimiento relativamente bueno, sellando el motor es prácticamente perfecto, como se ve en el momento "2:20 ".
El punto principal de la fuga de aire, la deformación que ocurre en la del agujero en primer cabeza, en este caso, hay que tener mucho cuidado para perforar la cabeza, por lo que no tienen juego excesivo del vástago del pistón desplazador. También extremo cuidado en el montaje de la cabeza con el pistón en el cilindro caliente, por lo que el agujero de la cabeza no será dañado, evitando posibles fugas de aire.
Otro lugar es posible con las fugas de aire en el conjunto del globo con las cubiertas y en el cilindro frío.

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Agradezco la atención de todos.

Leandro Wagner.

Lista dos materiais usados no motor Gama mais rápido

Listas dos materiais:

- 3 latas de refrigerante ou cerveja 350 ml, 68 mm de diâmetro (6,8 cm), para o cilindro quente e os dois cabeçotes;
- 1 lata de cerveja 473 ml, 68 mm de diâmetro (6,8 cm), como suporte do virabrequim;

- 2 latas de pêssego 830 g, com 100 mm de diâmetro (10 cm), para o forninho e o sistema de resfriamento;

- 1 tampa de uma lata spray de cabelo 57 mm de diâmetro (5,7 cm), para o cilindro do pistão de trabalho;

- 1 tampa de amaciante de 45 mm de diâmetro (4,5 cm), para fazer a tampa "externa" do pistão de trabalho;

- 1 tampa de garrafa Pet de 30 mm de diâmetro (3 cm), para fazer a tampa "interna" do pistão de trabalho;

- 1 balão número 9 ou 10, para o pistão de trabalho;

- 1 câmara de motocicleta, (descartada em borracharia), cortada em uma tira, para colocar envolta do cilindro do pistão de trabalho afim de afixar o balão;
- 2 borrachinhas de dinheiro, para colocar em volta do balão na vedação sobre o cilindro de trabalho;
- 1 joelho de PVC de 20, que será o tubo que interliga os dois cilindros e ao mesmo tempo o suporte do cilindro de trabalho;
- 1 pedaço de cano de 20 mm (2 cm) de comprimento de PVC e 20 mm de diâmetro; 

- 1 rolinho de lã de aço da marca “Bom Bril”, testei as demais marcas, mas não obtive bom desempenho;

- 3 raios de bicicleta de 2 mm (conhecido por fino) todos em INOX, não recomendo os tradicionais;

- 1 raio de bicicleta de 2,5 mm (conhecido por grosso) em INOX, para biela do pistão de trabalho;
- 2 moedas de 5 ou 10 centavos, para os mancais (bucha de suporte para o virabrequim);

- 4 CDs para o volante;

- 1 gravadora de CD de computador ou aparelho de DVD estragado, para fazer o volante;

- 7 conectores de fio de luz 6 mm, encontrados em lojas que vendem material elétrico residencial;

- graxa, cola durepox, cola de silicone de alta temperatura disponibilizada em lojas de auto peças;

Principais medidas:

- Curso do pistão deslocador: 28 mm, o motor atinge picos de 1600 RPM e velocidades constantes de 1340 RPM;
- Comprimento do pistão deslocador: 20 mm;
- Curso do pistão de trabalho: 14 mm ou 16 mm;
- O primeiro cabeçote com 60 mm de comprimento;
- O segundo cabeçote será a lata superior que da suporte ao virabrequim;
- O comprimento do cilindro quente: 85 mm (8,5 cm);
- O comprimento da lata do sistema de resfriamento: 45 mm (4,5 cm);
- Todos os raios são 2 mm de diâmetro em inox;
- O comprimento do cilindro frio é 30 mm (3 cm), com diâmetro de 57 mm;
- A tampa externa do pistão de trabalho, possui 45 mm de diâmetro;
- A tampa interna do pistão de trabalho, possui 30 mm de diâmetro;

Ferramentas usadas:

1 furadeira;

1 broca de 1,5 mm, 2 mm, 2,5 mm, 3 mm e 4 mm;

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;

3 pregos;

1 estilete;

1 tesoura;

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Quais são os tipos de motor Stirling >>>

Os principais cuidados na construção de um motor Stirling >>>

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

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Leandro Wagner.

Pistão deslocador em lã de aço

Este é um motor Stirling do modelo Gama para fins didático, onde foi priorizado materiais recicláveis de fácil aquisição, encontrados no cotidiano.

Abaixo encontra-se o vídeo de como fazer um pistão deslocador em lã de aço:




Lembro que este pistão deve ser praticamente transparente, para facilitar o deslocamento do ar pelo interior do pistão, que absorver parte do calor e reaquece o ar frio, ao retornar para a câmara quente.

Observação, procure projetar o motor, para que o pistão tenha pouco atrito no interior do cilindro, evitando o arrasto no movimento e reduzindo consumo energia mecânica produzida pelo motor.


Primeira imagem do pistão deslocador em lã de aço montado:

Pistão deslocador montado

Para construção do pistão deslocador em lã de aço, use duas tampas de latas de refresco/cerveja e afixe com conector de fio de luz a tampa superior.

Na (fig. 1) a tampa usada nas duas extremidade da construção do pistão deslocador.

(fig. 1) tampa para a montagem do pistão

Na (fig. 2) é visualizado a fixação da tampa na extremidade superior do pistão, com um conector de fio de luz.

(fig. 2) fixação do conector de fio de luz

Este pistão deslocador possui 35 mm de comprimento (3,5 cm), todo em lã de aço, com 38 mm de curso total (3,8 cm), onde a haste do pistão deslocador possui um comprimento total de 140 mm (14 cm), porém o comprimento varia conforme cada projeto. recomendo primeiro fazer a medição no moto previamente montado.

(fig. 3) medida do pistão deslocador

Atenção: lembro que a lã deve ser enrolada extremamente fofa, até atingir o diâmetro do cilindro (68 mm) e praticamente transparente, como visto na (fig. 4 e 5).

(fig. 4) pistão deslocador transparente

Vantagem da lã de aço: ela regenera o ar, ou seja, quando o ar quente desloca-se para a câmara fria, parte do calor é absorvido pela lã e ao retornar para a câmara quente, o ar é pré aquecido antes mesmo entrar na câmara quente, atingindo temperaturas superiores ao pistão deslocador convencional.

Imagem vista em seu comprimento, sendo possível verificar a transparência do pistão (fig. 5), que facilita o fluxo do ar pela interna do pistão.

(fig. 5) pistão deslocador transparente

Teste: ao inserir o pistão dentro do cilindro (lata de coca cola), o peso do pistão (16 gramas) deve ser suficiente para mover-se com a força da gravidade até fundo do cilindro, sem a necessidade de intervir com uma força externa. Isso representa pouco atrito do pistão deslocador sobre o cilindro quente.

O mesmo deve ocorrer ao puxar o pistão para fora do cilindro, onde o peso do cilindro deve ser suficiente para que permaneça no chão, sem a necessidade de segurar a lata.

Porém a lã deve encostar levemente no cilindro, justo e sem atrito.

(fig. 6) cilindro quente

Haste do pistão deslocador: é recomendado um raio de bicicleta em INOX e 2 mm de diâmetro (fig. 7) para a montagem do pistão, porque este tipo de raio é liso e rígido em relação aos demais raios de bicicleta, evitando um desgaste prematuro do cabeçote.

(fig. 7) Haste do pistão deslocador

Comprimento da haste: o comprimento do raio é definido antes do fechamento do motor, obtendo somente o comprimento necessário. Para isso, deve ser previamente montado todo o motor e depois cortar o raio no comprimento necessário.

Marca recomenda: fiz testes com as demais marcas de lã de aço, porém a Bom Bril leva vantagem pela malha de fios finos, boa qualidade e não é cortada, somente enrolada.

Recomendo o uso dessa marca, devido a qualidade do material

Conheça o Tutorial completo deste motor >>>>


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Leandro Wagner.

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:

(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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O que é um motor Stirling Gama?   O que é um motor Stirling Alfa?   O que é um motor Stirling Beta?

                    

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

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Leandro Wagner.