Elaborado por:
Tiago Carril Puig RA.971718
Erasto A. Franco Neto RA.970592
Este trabalho foi dividido em duas partes para facilitar a compreensão
do motor de Stirling. Em primeiro lugar, explicaremos o ciclo
de Stirling. Só assim poderemos ter a base necessária
para entender o funcionamento e a eficiência do motor e
a aplicação do ciclo no mesmo.
Aumentos significantes na eficiência térmica de usinas de turbinas a gás podem ser realizados através de ¨intercooling¨, reaquecimento e regeneração. Existe um limite econômico para o número de estágios que podem ser construídos e normalmente não podem ser mais de dois ou três .
Um ciclo que usa um regenerador é o ciclo de Stirling, mostrados nos diagramas P-v e T-s .O ciclo consiste de quatro processos internamente reversíveis em série : compressão isotérmica do estado 1 para 2 a uma temperatura Tc , aquecimento a volume constante do estado 2 para 3 , expansão isotérmica do estado 3 para 4 a uma temperatura TH , e resfriamento a volume constante do estado 4 para 1 para completar o ciclo. Um regenerador cuja eficiência é de 100% permite que o calor rejeitado durante o processo
4-1 ser usado como a entrada de calor no processo 2-3 . Concordantemente,
todo o calor adicionado externamente ao fluído atuante
tomaria lugar no processo isotérmico 3-4 e todo calor rejeitado
para o meio ocorreria no processo isotérmico 1-2 . Daí
pode ser concluído que a eficiência térmica
do ciclo de Stirling é fornecido pela mesma expressão
da eficiência térmica do ciclo de Carnot.
Prova: Para um processo a uma temperatura constante de
um gás ideal:
A eficiência térmica do ciclo de Stirling é
Mas
Assim V2/V1 = V3/V4
e
O ciclo de Stirling , assim como o de Ericsson , são principalmente
de interesse teórico de ciclos que possuem a mesma eficiência
térmica do ciclo de Carnot. Entretanto, um motor prático
do tipo cilindro-pistão que opera em um ciclo regenerativo
fechado possuindo aspectos em comum com o ciclo de Stirling vem
sendo estudado recentemente. Este motor é conhecido como
Motor Stirling. O motor Stirling oferece a oportunidade de uma
alta eficiência além de uma emissão reduzida
de poluentes, porque a combustão atua externamente e não
dentro do cilindro como acontece nos motores de combustão
interna. No motor Stirling , energia é transferida para
o fluído atuante por produtos da combustão, os quais
são mantidos separados. Isso é um motor de combustão
externa.
Apesar do motor de Stirling não ser classificado como um
motor de combustão interna, a construção
e aplicação desse motor pode ser logicamente examinado
nesse ponto, particularmente na comparação com um
motor de combustão interna. O conceito elementar do motor
de Stirling é um arranjo mecânico cilindro-e-pistão
e uma fonte de calor que é externa ao cilindro. No geral,
o motor é mais complexo que o convencional motor S-I ou
C-I.
Robert Stirling desenvolveu o motor original em 1816. Um vasto número desses motores foram construídos e demonstrados obtendo-se uma boa performance com uma pequena quantidade de energia de saída. Eventualmente, outros tipos de motores substituiram o motor de Stirling. Entretanto, em alguns lugares do mundo, o uso limitado do motor continuou, primariamente para bombear água. Recentemente, o interesse pelo motor de Stirling ressurgiu, e o trabalho de desenvolvimento, conduzido principalmente na Europa é direcionado para a eliminação das dificuldades de operação que restringem o uso extensivo do motor.
O ciclo teórico do ciclo de Stirling é mostrado nos diagramas P-v e T-s. Todo o calor obtido de uma fonte externa é fornecido isotermicamente à temperatura TH. Calor é rejeitado isotermicamente à temperatuta TL para um recipiente ou depósito. Os dois processos de volume constante, 2-3 e 4-1, são realizados por transferência interna de calor, Q2-3 = - Q4-1. Essa transferência interna de calor é particularmente significante porque a transferência externa de calor é efetuada unicamente nos dois processos isotérmicos nas temperaturas altas e baixas do ciclo. A eficiência teórica do ciclo de Stirling é consequentemente igual a eficiência térmica do ciclo de Carnot para valores de temperaturas TH e TL.
Na comparação com um motor de combustão interna, o atual motor de Stirling é consideravelmente mais complexo. Uma simples máquina cilindro-pistão não pode ser construída, primariamente por causa da prescrita transferência de calor regenerativa e das dificuldades encontradas na tentativa de adquirir compressão isotérmica e expansão do fluído atuante.
O modelo original de Stirling foi baseado no conceito da utilização de um simples cilindro equipado com dois pistões. Uma versão moderna deste modelo é mostrada abaixo. Dois pistões, um êmbolo e um pistão de energia, operam por um virabrequim. Usualmente, o êmbolo guia o pistão de energia por 90°. O sistema fechado é carregado com gás permanente, usualmente hidrogênio ou hélio. Hidrogênio, entretanto, é considerado o fluido de trabalho mais estável para o motor de Stirling. Uma câmara de combustão localizada no topo do cilindro, abastece o aquecimento indireto do gás. Gás em alta pressão, na ordem de 100 a 200 atm, são observadas no motor de Stirling.
O volume total de gás incluso varia com o movimento do pistão de energia. O êmbolo divide o volume incluso em duas regiões principais, o espaço de expansão e o espaço de compressão, que são mantidos em diferentes temperaturas. O movimento do êmbolo muda a proporção de gás nos dois espaços ao mesmo tempo que mantém a mesma pressão do gás nas faces opostas do êmbolo. Porque o êmbolo opera com pressões virtualmente balanceadas, é adequada uma construção de uma fina concha de aço. Compressão e expansão do volume total de gás são efetuados pelo movimento do pistão de energia.
Quando o êmbolo está na posição mais alta do cilindro, a maioria do gás está no espaço frio. O movimento de descida do êmbolo causa o movimento do gás do espaço frio através do circuito de troca de calor, chamado, o refrigerador, regenerador e aquecedor, e dentro do espaço quente. O efeito em rede do aquecimento de gás é o rápido desenvolvimento de uma alta pressão de gás no espaço de expansão. Por causa da tendência para igualar pressões por todo o volume de gás, uma alta pressão é exercida na face do pistão de energia.
O movimento de subida do êmbolo faz com que a maior parte do gás se mova do espaço de expansão através do circuito de troca de calor e dentro do espaço frio. A maior porção de gás está agora a uma baixa temperatura e uma baixa pressão no espaço de compressão sobre a face do pistão de energia. O resfriamento e aquecimento alternados do gás produz uma variação na pressão atuante na face do pistão de energia, e consequentemente uma transferência em rede de trabalho para o pistão é efetuada.
Muitos tipos de combustível podem ser queimados na câmara de combustão externa do motor de Stirling. Em particular, uma gasolina de alta octanagem não é necessária. Um combustível aceitável, entretanto, deve seguir as determinações para baixa emissão de poluentes, combustão com mínima dificuldade, e responder prontamente ao sistema de controle do motor. Um combustível líquido derivado do carvão é uma possibilidade. A qualidade deste combustível não precisa ser tão grande quanto a da gasolina, um fator que contribui na redução do custo de produção do combustível.
A maioria do calor rejeitado do motor de Stirling é transferida através do refrigerador para a atmosfera, com a menor quantidade de calor rejeitado na exaustão de gases que são descarregados da câmara de combustão. O radiador para o motor de Stirling deve ser mais ou menos 2.5 vezes maior que o radiador necessário para um motor de combustão interna da mesma potência de saída.
O motor de Stirling opera silenciosamente com baixa emissão de poluentes. A eficiência térmica, entre 0.35 e 0.40, está no limite realizado pelo motor C-I de alta economia e superior a eficiência relatada para o motor S-I. O valor da eficiência térmica que excede 0,4 é previsto para os menores motores de Stirling ainda em desenvolvimento.
Altos custos de produção, os quais resultam principalmente da complexidade do virabrequim e dos elementos de troca de calor juntos, tendem a restringir o amplo uso do motor de Stirling. A necessidade para a construção de um sistema de gás compacto apresenta um problema adicional de manufatura. As aplicações do motor de Stirling são limitadas por causa da alta razão massa /potência.
Os motores de Stirling construídos para aplicações como propulsão de veículos e geração de energia elétrica são semelhantes a queima de óleo Diesel. Motores de baixa capacidade de potência foram desenvolvidas para fontes de potência de corações artificiais e equipamentos de operação instalados em naves espaciais. Para essas duas aplicações , em particular, um combustível radioisótopo fornece a fonte de energia primaria de longa duração necessária para o motor de Stirling. Pequenos motores de Stirling com energia solar são uma possibilidade .
A construção prática do motor de Stirling
é dependente de movimento recíprocos. Dois diferentes
arranjos básicos de máquina foram construídos
para conseguir o mesmo ciclo termodinâmico. O mais recente
arranjo, creditado a Robert Stirling , utiliza dois pistões
movendo-se em um único cilindro como é mostrado
na figura. Um arranjo mecânico alternativo , inventado por
A. K. Rider em 1876, envolve dois cilindros , equipados com um
pistão , como é mostrado na figura. Calor é
fornecido por uma fonte externa no cilindro quente e removido
no cilindro frio por transferência para o meio. Duas manivelas
são usadas , com o pistão de energia quente guiando
o pistão de potência frio por 90°. Esses dois
pistões mutuamente provocam compressão e expansão
alternadas do fluído atuante e deslocamento do fluído
através do regenerador, de um cilindro para o outro. Muitos
dos motores primários foram construídos de acordo
com os princípios de operação estipulados
por Rider, apesar de que mais frequentemente , através
dos anos , a construção do motor seguiram o modelo
de êmbolo desenvolvido por Stirling em 1816.
A operação do motor atual de Stirling provém
significantemente da sequência de eventos previstos pelo
ciclo teórico de Stirling. Os diferentes eventos, compressão
e expansão e aquecimento e resfriamento , mostram sobreposição
no tempo, consequentemenete o cartão indicador para o motor
atual não vai duplicar o diagrama P-v mostrado anteriormente
. O diagrama de trabalho atual é chamado de ciclo de Schmidt
, após o primeiro investigador a fornecer uma descrição
matemática do motor . Análise matemática
é complexa e fornece apenas uma previsão aproximada
da potência de saída do motor atual de Stirling.
