Motor Stirling

...

freqüência, em função da precária tecnologia metalúrgica das caldeiras, que se rompiam quando submetidas à alta pressão. Sensibilizados com a dor das famílias dos operários mortos em acidentes, os irmãos Stirling buscaram conceber um mecanismo mais seguro. É referido também como "motor de ar quente", por utilizar os gases atmosféricos como fluido de trabalho.

O motor Stirling surpreende por sua simplicidade, pois consiste de duas câmaras em diferentes temperaturas que aquecem e resfriam um gás de forma alternada, provocando expansão e contração cíclicas, o que faz movimentar dois êmbolos ligados a um eixo comum. O gás utilizado nos modelos mais simples é o ar (daí a expressão citada acima); hélio ou hidrogênio pressurizado (até 15 MPa) são empregados nas versões de alta potência e rendimento, por serem gases com condutividade térmica mais elevada e menor viscosidade, isto é, transportam energia térmica (calor) mais rapidamente e têm menor resistência ao escoamento, o que implica menos perdas por atrito. Ao contrário dos motores de combustão interna, o fluido de trabalho nunca deixa o interior do motor, trata-se, portanto de uma máquina de ciclo fechado. De acordo com a lei dos gases ideais, que relaciona as propriedades do gás: temperatura (T), pressão (P) e volume (V) com o número de moles (n), têm – se a equação:

, onde R é constante universal dos gases. Segundo Cordeiro e Hoffamann (2002), todo ciclo termodinâmico envolve transformações com a variação de uma destas três grandezas dos gases.

Teoricamente, o motor Stirling é a máquina térmica mais eficiente possível. Alguns protótipos construídos pela empresa holandesa Phillips nos anos 50 e 60 chegaram a índices de 45%, superando facilmente os motores a gasolina, diesel e as máquinas a vapor (eficiência entre 20% e 30%). A fim de diminuir as perdas térmicas, geralmente é instalado um "regenerador" entre as câmaras quente e fria, onde o calor (que seria rejeitado na câmara fria) fica armazenado para a fase seguinte de aquecimento, incrementando sobremaneira a eficiência termodinâmica. Há 3 configurações básicas deste tipo de motor: Alfa - com cilindros em V ou paralelos; Beta - com êmbolos co-axiais num mesmo cilindro e Gama.

Funcionamento

O ciclo de Stirling ideal ocorre em quatro tempos, conforme mostra a figura 01 Sendo:

1º tempo – fase de expansão, transformação isotérmica, o ar expande-se a temperatura constante;

2º tempo – transformação isocórica (Isovolumétrica) , o ar esfria-se no regenerador mantendo um volume constante;

3º tempo – fase de compressão, transformação isotérmica, o ar é comprimido de forma isoterma;

4º tempo – transformação isocórica (Isovolumétrica), o ar que se encontra no regenerador volta a ser aquecido até a temperatura inicial.

Figura 01 – Ciclo Stirling ideal

Fonte: Catálogo 3bscientific.

Com o motor de Stirling não é possível à realização deste caso ideal. Através do deslocamento das fases dos êmbolos de propulsão e de transmissão obtêm-se uma aproximação do processo ideal. Porém, neste caso, os quatro tempos se sobrepõem. Durante a expansão já ocorre uma troca de gás de quente para frio e na fase de compressão nem todo o ar se encontra na parte fria do motor.

Diagrama P X V para o ciclo Stirling

Interpretando o diagrama:

1º- Adição de calor ao ar contido no pistão: Expansão isotérmica do estado 3 para o 4. Nesta parte do ciclo gera trabalho.

2º- Migração do ar para o cilindro resfriado e seu consequente resfriamento, corresponde ao resfriamento a volume constante do estado 4 para o 1.

3º- Compressão do ar pelo cilindro de trabalho (pistão menor), corresponde à compressão isotérmica do estado 1 para o 2. Nesta parte do ciclo que consome potência.

4º- Movimentação do ar para o interior do cilindro aquecido e seu consequente aquecimento, corresponde ao aquecimento a volume constante do estado 2 para o 3.

Tipos de motores Stirling

Existem praticamente quatro configurações diferentes para motores Stirling, sendo:

Motor tipo Alfa: possui dois cilindros em V interligados com um regenerador.

Motor Alfa

Motor tipo Beta: possui dois êmbolos co-axiais em um mesmo cilindro.

Motor Beta

Motor tipo Gama: possui dois cilindros em paralelo.

Motor Gama

Motor tipo Atuação dupla: possui cilindros em série com regeneradores entre eles.

Vantagens

• Multi combustível;

• Baixo índice de ruído;

• Baixa vibração;

• Alto índice de eficiência.

Desvantagens

• Partida difícil;

• Dificuldade de variação de velocidade;

• Dificuldade para manter o sistema estanque;

• Alto custo de aquisição e manutenção.

Aplicações

No que diz respeito às aplicações, são muito usados em submarinos, por serem silenciosos e também pela mesma razão são usados como geradores auxiliares de energia em iates. São aplicados também em sistemas de refrigeração por serem mais ecológicos e eficientes. A NASA está estudando e testando a sua aplicação na indústria espacial. Tem sua aplicação ainda em regiões que a energia elétrica não está disponível sendo usado como energia