PROJETO DE LOCOMOTIVA EM ESCALA REDUZIDA MOVIDA POR MOTOR STIRLING

...

Segundo MARTINI, 1983, nos motores Stirling do tipo deslocamento, o gás de trabalho é movimentado doa câmara de alta para a de baixa temperatura pelo deslocador (displacer), enquanto o pistão de trabalho faz a compressão e a expansão do gás.

2 Ciclo de Stirling

O princípio de funcionamento do motor Stirling é baseado em um ciclo fechado, onde o gás de trabalho é mantido dentro dos cilindros e o calor é adicionado e removido do espaço de trabalho através de trocadores de calor. (MARTINI, 1983).

O ciclo termodinâmico de trabalho do motor Stirling é composto de quatro processos em série, os quais são mostrados na figura 1:

-Processo AB: expansão isotérmica;

-Processo BC: resfriamento isovolumétrico;

-Processo CD: compressão isotérmica;

-Processo DA: aquecimento isovolumétrico.

[pic 1]

Figura 1 – Ciclo de Stirling

Fonte: Daniel Schulz (2009)

Tem-se no motor Stirling os conceitos de uma máquina térmica bastante eficiência. Alguns protótipos construídos nas décadas de 50 e 60 chegaram a índices de eficiência de 45%, superando até os motores a gasolina ou diesel, que em suas versões mais eficientes chegam a valores próximos de 40%. Dentre outras vantagens deste motor pode-se ainda citar que ele é pouco poluente, pois possui apenas uma fonte de calor que faz a queima completa do combustível. Entretanto, como desvantagens podem ser ressaltadas a irregularidade de sua velocidade de trabalho e sua dificuldade de dar partida, o que dificilmente ocorre sem um estimulo externo(AFONSO, 2012).

Segundo MARTINI, 1983, o princípio de funcionamento do Motor Stirling é completamente diferente dos motores de combustão interna comuns. Um motor Stirling sempre contém um gás pressurizado (ar, hélio ou hidrogênio) no seu interior, que é chamado de gás de trabalho. A potência é gerada não pela queima explosiva de combustível no cilindro, mas pelo aquecimento e resfriamento do gás de trabalho pelo lado externo do cilindro.

3 Motor Stirling Tipo Alfa

O motor Stirling tipo Alfa apresenta basicamente dois pistões, sendo um de compressão e um de expansão, e estes são desfasados de 90°. Há um lado quente (espaço de expansão) e um lado frio (espaço de compressão), unidos entre si. Os dois pistões fazem o gás fluir entre ambos os espaços, e os mesmos dois pistões geram potência de saída.

A configuração alfa caracteriza-se por um arranjo simples de dois cilindros em separado que são conectados em série por um aquecedor e um regenerador.

O regenerador é utilizado para “armazenar” o calor durante parte do ciclo e devolvê-lo ao gás durante o restante do ciclo. A inclusão deste componente do motor Stirling aumenta o rendimento, uma vez que com o seu uso o ciclo torna-se mais próximo do teórico. Deste modo, as transformações ocorrem em temperaturas menos variáveis sendo que o gás é completamente isolado das partes móveis do motor nas câmaras que o constituem.

Embora possua a configuração mais simples, o motor Alfa apresenta a desvantagem de ambos os pistões necessitarem de vedação por conter gás de trabalho. Esses motores podem ser construídos em configurações compactas, com múltiplos cilindros e elevadas potências de saída (MELLO, 2001).

[pic 2]

Figura 2 - Motor tipo alfa

Fonte: http://www.mpoweruk.com/stirling_engine.htm

O ciclo desempenhado por este tipo de motor é composto de quatro estágios, os quais estão descritos a seguir:

• 1 – 2: Compressão Isotérmica: Neste processo, ambos os pistões (compressão e expansão) se movem para cima, realizando trabalho de compressão sobre o fluido de trabalho, enquanto calor é rejeitado para o sistema de resfriamento, mantendo a temperatura constante;

• 2 – 3: Aquecimento a volume constante: O pistão de compressão vai até o ponto morto superior, enquanto o pistão de expansão se movimenta para baixo. Com isso o fluido de trabalho passa para o espaço de expansão, sendo aquecido pela fonte externa aumentando a pressão;

• 3 – 4: Expansão Isotérmica: Neste processo, ambos os pistões (compressão e expansão) se movem para baixo, expandindo o fluído de trabalho e realizando trabalho. Este processo é realizado a temperatura constante, sendo que durante a expansão, o gás de trabalho recebe calor da fonte externa;

• 4 – 1: Rejeição de calor a volume constante: O pistão de compressão se movimenta até o ponto morto inferior, enquanto o pistão de expansão se movimenta para cima. Com isso, o fluido de trabalho passa para o espaço de compressão, tendo calor rejeitado pelo sistema de resfriamento, reduzindo a sua pressão até a condição 1.

4 Motor Stirling Tipo Beta

Os motores Stirling Beta são chamados de motores Stirling de deslocamento, sendo que o gás de trabalho é movimentado entre os espaços de alta e baixa temperatura pelo pistão de deslocamento. A compressão e a expansão do gás de trabalho são feitas pelo pistão de trabalho.

Este foi o tipo de motor projetado por Robert Stirling. É constituído por um cilindro dividido em duas zonas, uma quente e outra fria, que, com ajuda de dois pistões dentro desse mesmo cilindro, vão permitir movimentar o ar quente para a zona de ar frio e vice-versa. Para permitir o funcionamento deste motor, um dos pistões encontra-se a 90 graus. Do ponto de vista termodinâmico é o motor mais eficiente, pois a sobreposição entre cada movimento de ambos os pistões provém uma taxa de compressão maior, e pode-se obter ainda maior potência. Mas sua construção é mais complexa, porque as hastes do deslocador e do pistão de trabalho estão alinhadas.

A Figura 2 mostra o esquema construtivo do motor Stirling tipo Beta.

[pic 3]

Figura 3 - Motor Stirling de tipo Beta

Fonte: http://www.mpoweruk.com/stirling_engine.htm

Os quatro estágios do ciclo realizado pelo motor Stirling tipo Beta estão descritos