A Introdução ao Motor Stirling

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Partida apesar de ser fácil é demorada comparada aos motores elétricos e de combustão interna;

A contenção do fluido de trabalho que não pode “vazar”, exige ótima vedação e um controle rígido para mantê-lo.

3.3 O ciclo Stirling

A termodinâmica fornece os princípios e descrevem os fenômenos físicos que ocorrem dentro do motor stirling e consequentemente no protótipo. As variações térmicas e volumétricas do fluido de trabalho é descrita pelo ciclo stirling na imagem 1;

Segundo Martini (2004) o ciclo Stirling é definido como uma seqüência de processos de compressão e expansão isotérmicas de um gás, com seu aquecimento e resfriamento a volume constante. O ciclo Stirling pode ser descrito por dois processos isotérmicos e dois processos isocóricos. Este ciclo pode ser usado tanto para produzir trabalho mecânico a partir de energia térmica, quanto para transferência de calor a partir de energia mecânica.

[pic 1]

O processo 1-2 consiste em uma compressão isotérmica na região de baixa temperatura na câmara fria;

2-3 é o processo de transferência de calor a volume constante;

3-4 expansão isotérmica, o gás expande a temperatura constante;

4-1 Troca o calor com a fonte fria, acontece a queda de pressão com volume constante.

Esta é uma demonstração do ciclo ideal, logo as transferências de calor ocorrem somente nos processos isotérmicos e consequentemente o rendimento deste ciclo é igual ao rendimento do ciclo de Carnot que opera entre as mesmas temperaturas. Mas esta igualdade ideal com o ciclo de Carnot não ocorre na realidade já que existem muitos processos irreversíveis, atritos viscosos e mecânicos do fluido de trabalho e dos componentes, além de trocas de calores indesejadas.

As três configurações mais difundidas do motor stirling são mostradas abaixo (Imagem 2), seguem o mesmo ciclo termodinâmico mas possuem características de projeto mecânico diferente.

[pic 2]

3.4 Cálculos e Expressões do Ciclo Stirling

O motor stirling utiliza energia da expansão e contração de determinado gás (como fluido de trabalho), aplicando a lei dos gases ideais que relacionam as propriedades de pressão (P), temperatura (T), volume (V) e número de mols:

PV = nRT (Eq.1), R é a constante dos gases;

Para processo em temperatura constante de um gás ideal;

Q = W = pV ln (V2/V1) (Eq. 2)

A eficiência térmica (Et) do ciclo stirling é dada como:

Et = (Qs – Qr) / Qs = [p1 V1 Ln (V2/V1) – p3 V3 ln (V3/V4)]/ p1 V1 ln(V2/V1) (Eq. 3)

Et = [m R T1 ln(V2/V1) – mRT3 ln(V3/V4)]/ mRT1 ln(V2/V1) (Eq.4)

Mas

V2 = V3 e V1 = V4 (Eq. 5)

Assim V2/V1 = V3/V4 e

Et = ( T1 – T3) / T1 = ( Th – Tl ) / Th (Eq. 6)

Et = 1 – Tl/ Th ( Eq. 7)

4. Desenvolvimento Motor Gama:

O protótipo segue a configuração Gama, apesar da configuração alfa apresentar maior facilidade didática, optamos pela versão de projeto mecânico gama que tem um perfil de construção compatível com os materiais recicláveis e de fácil acesso que utilizamos para fabricar o motor com um custo bem reduzido e que consiga gerar uma potência considerável, logo se dará maior ênfase na configuração gama.

No motor stirling gama e consequentemente no protótipo, seus pistões trabalham em um ângulo de 90 graus e são ligados a um ponto em comum no virabrequim. O pistão deslocador fica suspenso por uma haste internamente no cilindro quente e o pistão de trabalho absorve a pressão transformando em movimento mecânico, também realiza compressão e descompressão do ar. O esboço base para o início do projeto é demonstrado abaixo (Imagem 3):

[pic 3]

No interior da base de sustentação é o local da queima da fonte energética que fara o deslocador movimentar e acionar o sistema mecânico, as retas em preto negrito(extensões dos pistões) perpendiculares ao virabrequim transmitirão o movimento, o gás ao expandir fara o deslocador subir e atingir o nível do cotovelo, nível este que contem ao redor do “topo do recipiente de pressão” agua como fluido de resfriamento da câmara fria, enquanto simultaneamente a bexiga será comprimida pela rotação do virabrequim (enquanto a reta da esquerda sobe a da direita desce) e faz a troca de calor entre o gás quente e o frio em baixa pressão. O ciclo de movimentação descrito é repetido constantemente acionando e oferecendo potência rotativa ao CD(disco) do protótipo.

4.1 Montagem

Conhecendo os componentes a serem produzidos, especifica-se o tamanho e dimensões das peças em conformidade com os materiais recicláveis que serão citados na etapa “Materiais e orçamento”.

Os cabeçotes e o cilindro quente são fabricados com três latas de refrigerante cortadas e adequadas para posterior acoplamento, uma lata de cerveja de 473 mililitros de mesmo diâmetro que as latas menores do cabeçote e cilindro quente é dimensionada para ser o suporte do virabrequim. 2 moedas de dez centavos são as “buchas de suporte para o virabrequim”.

Já o forno que ficara acima da base de sustentação e o sistema de resfriamento é produzido com duas latas de pêssego de 100 milímetros de diâmetro. Utilizasse a tampa de uma lata de spray de cabelo de 63 milímetros para o cilindro do pistão de trabalho e outra tampa de spray óleo aerossol de 57 milímetros de diâmetro para fazer a tampa externa do pistão de trabalho.

O lacre interno do pistão de trabalho é uma tampa de amaciante de 40 milímetros de diâmetro, este pistão é conectado ao balão (bexiga representada no esboço) e cortasse duas tiras de câmara de motocicleta para afixa-lo. Raios de bicicleta de 2 a 2,5 milímetros finos de inox são dobrados e modelados para formar o virabrequim e as extensões de pistões. Um pedaço