Motor Stirling

INTRODUÇÃO

Uma das inúmeras aplicações da Engenharia Mecânica destina-se ao desenvolvimento de motores, que podem ser de diversos tipos e funções.

O principal conceito do motor térmico é a transformação da energia térmica em energia mecânica, nos motores a energia é proveniente de um combustível. Desta forma, os motores são divididos primeiramente pelo tipo de combustão, interna ou externa, depois nos motores de combustão interna temos outras divisões como ciclo(diesel ou otto), tempos do motor (2 tempos ou 4 tempos) e o tipo de combustível (gás, etanol, gasolina, etc), entre outros.

O uso mais comum é o motor à combustão interna, porém neste trabalho veremos o motor de combustão externa, que a suas funcionalidades que não são tão amplamente utilizadas e explicaremos quais as principais vantagens e desvantagens e qual o uso e mais adequado para este tipo de motor.

O motor stirling, consiste basicamente em um motor de combustão externa, que utiliza-se de um ciclo termodinâmico (ciclo Stirling) e obtem grande eficiência em comparação a motores ciclo otto, máquinas a vapor, entre outros. Sua denominação, veio de seu inventor, o padre escocês Robert Stirling, que em 1816, desenvolveu meios de aperfeiçoar os projetos dos motores a vapor da época, pois estes explodiam com muita frequência, devido a falta de preparação adequada quando submetidos a pressões elevadas e também a manutenção inadequada na época.

Esses acidentes causaram a morte de muitos dos operadores dessas máquinas, além do prejuízo financeiro. Desta forma, Robert Stirling buscou desenvolver um motor mais seguro, que apesar da grande semelhança estrutural e teórica das máquinas a vapor, não havia câmara de vapor com altas pressões, pois a combustão era feita fora do motor, ou seja, combustão externa.

O funcionamento mais detalhado desta máquina será apresentado durante o desenvolvimento deste trabalho, mas basicamente, seu conceito é muito simples, uma combustão externa, utilizando o ar a baixa pressão como fluído e o seguinte ciclo: calor, expansão, refrigeração e compressão.

Este motor precisa apenas de uma diferença de temperatura entre a câmara quente e a câmara fria para gerar trabalho. Quanto maior for a diferença de temperatura, mas eficiente será o motor. O resultado disso é um motor capaz de desenvolver uma queima mais completa e eficiente do combustível, mas que apresenta algumas limitações críticas que se evidenciam quando comparados aos motores de combustão interna, e isso explica a sua menor utilização, por atuar em situações mais especificas e de menor escala. É referido também como "motor de ar quente", por utilizar os gases atmosféricos em temperaturas mais elevadas como fluído de trabalho.

Entretanto atualmente existem algumas situações que este motor pode ser uma boa alternativa para geração de energia extra em processos onde o calor gerado, possa não estar sendo reaproveitado.

OBJETIVO

Durante o desenvolvimento deste trabalho, tomaremos como objetivo principal, expor as principais vantagens e desvantagens do motor de combustão externa, especificamente o motor stirling, mostrando suas principais características e aplicações potenciais.

As fontes de informação serão interpretadas, através de pesquisas em literaturas relacionadas ao tema, como material de apoio e embasamento das conclusões geradas ao longo da construção deste relatório.

Será determinado, finalmente, uma possível aplicação deste sistema, nos veículos automotores, na cogeração de energia para a máquina e seus subsistemas que o compões, a fim de suprir algumas carências energéticas em certas funcionalidades que os veículos podem proporcionar.

DESENVOLVIMENTO

Princípio do motor à Combustão Externa

O motor à combustão externa, funciona do princípio de um fluído interno pressurizado (ar, hélio, hidrogênio) que, com a combustão se expande e depois é resfriado, essa expansão e compressão desloca os pistões transformando a energia térmica em energia mecânica na polia. Esse fluído se expande com o calor da combustão e depois se comprime após ser resfriado, dessa forma pode ser reutilizado nesse processo (ciclo fechado) ou também ser descartado e trocado (ciclo aberto). A combustão ocorre externamente e aquece a “câmara quente” porém, se esse calor for proveniente de energia térmica, solar ou outro tipo onde não haja combustão essa máquina tem o nome de máquina térmica do tipo externo.

As imagens a seguir demonstram um motor stirling desenvolvido para geração de energia, utilizando biomassa como fonte de calor, em uma caldeira.

Este motor é capaz de gerar aproximadamente 470 W e um consumo de combustível de 0,30 Kg / h e também gera uma eficiência bastante satisfatória em relação a outras tecnologias com a mesma capacidade de geração.

De forma geral os motores Stirling podem operar em instalações de baixa potência com uma eficiência satisfatória, tendo em vista que outros sistemas térmicos de conversão de energia se apresentam ineficientes em instalações de pequena capacidade.

O motor Stirling

O motor Stirling teve um uso comum até os anos de 1920, porém os motores de combustão interna e os motores elétricos o tornaram inviável. Os motores ciclo otto e diesel desempenhavam maior potência, além disso, os motores stirling, por conta de sua concepção, tinha uma tolerância menor em comparação aos motores de combustão interna, o que tornava sua manufatura mais complexa e mais cara. Desta forma, como os motores convencionais tinham um processo produtivo mais barato e desempenhavam maior potência, os motores Stirling praticamente desapareceram, pois se tornaram inviáveis numa escala de comparação de custo x benefício.

Entretanto, após a Segunda Guerra Mundial, novas tecnologias foram desenvolvidas, por conta da necessidade dos países terem se preparado para os confrontos e desta forma, se houve algum ponto positivo deste período da história mundial, podemos dizer que foi o desenvolvimento da indústria como um