motor stirling

MOTOR STIRLING
Belquis Luci Fernandes
Centro Universitário Salesiano Campinas
Mestre em Engenharia Mecânica
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Rogério Poltronieri de Sousa
Centro Universitário Salesiano Campinas
Tecnólogo em Instrumentação e Controle
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Vila Maria Helena – Indaiatuba – SP
CEP – 13330-500
rogé[email protected]
Resumo
Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de se chamar a atenção para um tipo
de ciclo alternativo de produção de energia. O ciclo Stirling é conhecido desde o século
dezenove, quando foi elaborado com o propósito de substituir máquinas a vapor que na
época representavam perigo para as pessoas que as comandavam. Foi substituído
posteriormente em função do domínio que se passou a ter sobre estas máquinas e fluidos
de trabalho, derivados principalmente do petróleo.
Hoje em dia, tornou-se fonte alternativa de geração de energia mecânica ou elétrica,
por sua versatilidade, pouco ruído, pouca manutenção e principalmente por permitir que
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se vislumbre o uso de fontes alternativas e inesgotáveis de energia, como a luz do sol,
auxiliando na busca de formas de produção de energia útil de modo sustentável e sem
agressão ao ambiente.
Palavras-chave
Ciclo Stirling, fontes alternativas, Motor Stirling.
Motor Stirling
Histórico do motor Stirling
Em 1816, o engenheiro escocês Robert Stirling (1790 – 1878)
criou um modelo de um motor que utilizava um determinado
volume de um gás qualquer, que aquecido externamente, era
forçado a entrar numa câmara de volume maior que o inicial,
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onde o gás podia expandir-se livremente [5]. Ele chamava o motor de “motor de ar”
porque as máquinas a vapor de sua época podiam freqüentemente explodir, matando ou
mutilando pessoas que por azar estivessem nas proximidades. Os motores Stirling não
poderiam explodir, e produziam mais potência do que as máquinas a vapor então em
uso.
Em 1818, construiu um motor em equipe com seu irmão que sugeriu que se poderia
conseguir maior potência do motor utilizando ar a pressões maiores do que a
atmosférica. Patentes melhoradas foram registradas em 1827 e 1840.
Em 1873, foi usado para refrigeração e/ou aquecimento, absorvendo calor no estágio
de compressão e liberando trabalho ou mais calor na fase de expansão. Nesta época
foram criados alguns protótipos com base no ciclo Stirling.
Mas o projeto Stirling foi efetivamente usado em refrigeração, no séc. 20. Em breve
espera-se que os motores de combustão interna que trabalham com a queima de alguns
derivados de petróleo na forma líquida entrem em desuso, devido à viabilização do ciclo
Stirling e outros ciclos.
Outro contemporâneo do Stirling, Willian Rankine, criou um ciclo que foi mais
aceito para o uso na refrigeração por causa do advento dos fluidos refrigerantes como os
CFC’s, o Freon e outros líquidos refrigerantes.
Contudo, nos últimos anos do século passado ocorreram mudanças pois as atuais
inovações proporcionam uma grande eficiência na geração de grandes potências com
investimentos aceitáveis. O que explica estes custos, é que a significativa eficiência do
ciclo Stirling é alcançada sem o uso de flúor-carbonos como fluido de trabalho.
Refrigeradores Stirling incorporam ao motor o uso de “pistão livre” e o uso de hélio
ou nitrogênio no lugar de CFC’s e HFC’s, e são muito bem vistos por esse motivo.
Grandes corporações estão cada vez mais usando e desenvolvendo a tecnologia. Os
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grandes fabricantes de veículos automotivos, como a Daimler Chrysler Corp., são os
principais responsáveis pelo desenvolvimento da tecnologia Stirling para uso na
refrigeração.
Os motores Stirling estão começando a ser estudados na sua viabilidade, para a
geração de energia elétrica por causa de sua eficiência, que é considerada por muitos,
maior em relação a outros métodos de geração e principalmente quando se deseja
método de geração alternativo aos combustíveis fósseis.
Descrição
Motores Stirling são máquinas térmicas únicas porque sua eficiência teórica é
aproximadamente igual à eficiência teórica máxima conhecida como eficiência do Ciclo
de Carnot. Estes motores são movidos pela expansão de um gás quando aquecido,
seguida da compressão do mesmo quando resfriado. Os motores Stirling contêm uma
quantidade fixa de gás que se transfere de um lado a outro entre uma extremidade fria e
uma extremidade quente. Um pistão móvel é responsável pelo direcionamento do gás
entre estes dois extremos.
Existem dois tipos de motores Stirling; os tipos cinéticos, que convertem energia
térmica em movimento usando um pistão conectado mecanicamente a um eixo, e os
tipos pistão livre que usam uma bobina e dispositivos magnéticos para gerar energia
elétrica.
Princípio de funcionamento do motor Stirling
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As etapas de funcionamento do Motor Stirling são divulgadas em uma página da
WEB [1], onde também se pode conseguir projetos mecânicos em diversas escalas e
níveis de complexidade, além de um fórum de debates entre pesquisadores e hobistas:
O funcionamento do motor Stirling depende integralmente de alguns dos princípios
básicos da termodinâmica: o gás responsável por executar o trabalho expande quando
aquecido e contrai-se quando resfriado.
O esquema apresentado na figura 1 representa as etapas de funcionamento de um
protótipo construído em madeira balsa (pistão deslizante) e lata de alumínio (cilindro).
A esfera é feita de gesso de massa aproximadamente igual a 26g.
Figura 1 – Esquema representativo do funcionamento de um protótipo de motor
5
segundo o ciclo Stirling.
1- Ponto morto - todo o ar encontra-se na parte inferior.
2 - O aquecimento expande o ar que empurra a membrana para cima e as hastes
verticais fazem com que a massa suba ¼ de percurso. O ar quente impulsiona o
movimento e realiza trabalho. A massa recebe energia.
3 – Impulso da massa e contração do ar que provoca contração da membrana puxa as
hastes verticais para baixo que fazem com que a massa suba mais ¼ de percurso, até seu
ponto mais elevado. Enquanto isso, o pistão de madeira direciona a subida do ar para o
terminal frio. Não há realização de trabalho.
4 – Toda a massa de ar do cilindro se encontra agora na parte superior sendo resfriado e
se contraindo. A contração do ar faz com que a membrana seja direcionada para o
interior do cilindro. A partir deste ponto, a massa começa seu movimento descendente,
empurrando a membrana para baixo. A massa realiza trabalho comprimindo o ar.
Enquanto isso o pistão de madeira direciona o ar para o terminal quente, e reinicia-se o
ciclo.
Além de direcionar o volume do gás para as áreas quente e fria, o pistão também
tem a função de isolante térmico de modo que quando o movimento de expansão é
desejado, a fonte fria passa a não influenciar na temperatura interna e da mesma forma,
a fonte quente não influencia
na temperatura quando o movimento de retração é
desejado.
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O motor necessita de impulso externo para a partida. Depois de iniciado o
movimento, o peso da massa por inércia mantém o movimento do motor quando este
atinge o ponto morto.
Este protótipo consegue executar 200rpm com aquecimento apropriado, e apresenta
torque equivalente a 0,0383N.m.
Princípio termodinâmico
Quase todo tipo de energia mecânica produzida hoje é conseguida a partir da
conversão de energia térmica em algum tipo de máquina térmica. A operação de todo
ciclo de máquina térmica pode usualmente ser aproximada por um ciclo termodinâmico
de potência ideal de alguma maneira. A compreensão básica destes ciclos podem
freqüentemente mostrar ao engenheiro como melhorar a operação e o desempenho do
sistema.
Qualquer ciclo termodinâmico é formado de uma série de processos termodinâmicos
que retornam o fluido de trabalho ao seu estado inicial. Durante muitos desses
processos, uma propriedade é comumente mantida constante. Isto inclui processos
isotérmicos (temperatura constante), isobáricos (pressão constante), isométricos
(volume constante), isentrópico (entropia constante), adiabáticos (sem transferência de
calor) e isoentálpico ( entalpia constante).
É prática comum, colocar em gráficos os processos que compõem o ciclo em um
gráfico com propriedades
nas
coordenadas – usualmente gráficos P – v (pressão
versus volume específico) ou T – s (temperatura versus entropia).
O Ciclo Stirling
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Os processos termodinâmicos que o gás atravessa no cilindro são apresentados no
seguinte esquema:
Figura 2 – Ciclo termodinâmico
O ciclo consiste de quatro processos internamente reversíveis –.processos nos quais
o sistema e as vizinhanças possam retornar ao seu estado inicial depois de ter
completado o ciclo – dois isotérmicos e dois a volume constante
[ 6, 7].
A  B: Expansão isotérmica a temperatura constante (temperatura da fonte
quente de onde recebe calor).
B  C: Resfriamento a volume constante
C  D: Compressão isotérmica a temperatura constante (temperatura da fonte
fria, para onde perde calor)
D  A: Aquecimento a volume constante
O gráfico abaixo representa a relação entre a pressão, o volume específico e a
temperatura do gás.
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Figura 3 – Diagrama Pv do Ciclo Stirling
Considerando comportamento ideal do gás aprisionado, as mudanças pelas quais
atravessa o ar seguem as leis de Charles, Boyle e Gay-Lussac:
P1  V1 P2  V2

T1
T2
onde os índices 1 e 2 representam condição inicial e final respectivamente.
A  B = expansão a TH (temperatura constante)  T1 = T2
como se trata de expansão, V2 > V1
então, seguindo a equação dos gases: P1  V1  P2  V2  P2 
P1  V1
, e como
V2
V2 > V1, resulta que P2 < P1. De acordo com o diagrama, o percurso do estado A para o
estado B provoca redução da pressão sobre o gás.
Com o volume específico v, ocorre o contrário; já que volume específico é a relação
entre o volume ocupado pelo gás e a sua massa ( v = V/m), a expansão do gás aumenta
seu volume enquanto a massa permanece constante, assim, conseqüentemente há
aumento no volume específico.
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B  C = resfriamento a volume constante  V2 = V1
Como se trata de resfriamento, T2 < T1 e
P1 P2
T

 P2  P1  2
T1 T2
T1
Sendo a fração menor do que um, deduz-se que P2 < P1
O volume específico v permanece constante, já que nem massa nem volume se alteram.
C  D = compressão a TC (temperatura constante)  T1 = T2
como se trata de compressão, V2 < V1
então, seguindo a equação dos gases: P1  V1  P2  V2  P2 
P1  V1
,
V2
e como V2 < V1, resulta que P2 > P1
O volume específico v, é reduzido, já que o volume ocupado pelo gás diminui e a massa
permanece constante.
D  A = aquecimento a volume constante  V2 = V1
Como se trata de aquecimento, T2 > T1 e
P1 P2
T

 P2  P1  2
T1 T2
T1
Sendo a fração maior do que um, deduz-se que P2 > P1
O volume específico v permanece constante, já que nem massa nem volume se alteram.
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Eficiência térmica
O propósito de um motor é converter a energia suprida como calor ou energia retida
em combustível para trabalho. O máximo desempenho é a produção da quantidade
requerida de trabalho utilizando a quantidade mínima de calor. Uma máquina térmica
recebe calor e produz trabalho enquanto executa um ciclo.
Uma máquina térmica pode ser tão simples como um gás confinado em um
dispositivo pistão-cilindro, ou tão complexa como uma planta de potência.
Quando o gás é aquecido, ele expande para realizar trabalho sobre o pistão. Nas
etapas a volume constante não há realização de trabalho. Quando o pistão se move para
dentro do cilindro, trabalho é realizado sobre o gás. O ciclo é completo com o efeito
final de que calor foi convertido em trabalho [8].
Quando não há matéria entrando ou saindo do sistema, ele é chamado sistema
fechado.
Em cada ciclo completo de uma máquina térmica, alguma quantidade de calor é
rejeitada pelo sistema.
De acordo com a primeira lei da termodinâmica - para qualquer ciclo ou sistema
fechado, o calor líquido transferido é igual ao trabalho líquido produzido [9]:
 Q   W
Qentra  Qsai   W
Qentra – Qsai = quantidade bruta de calor fornecido menos quantidade bruta de
calor rejeitado.
Como Qsai0, então, o trabalho líquido feito pelo sistema é menor do que o calor
recebido por ele, isto é, nem todo o calor recebido pelo sistema é convertido em
trabalho.
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Eficiência térmica é definida como a fração do calor bruto adicionado à máquina
térmica durante um ciclo que é convertida em trabalho líquido devolvido:

 W
Qentra

Qentra  Q sai
Q
 1  sai
Qentra
Qentra
Qsai é recolhido no terminal frio à temperatura absoluta TL
Qentra é transferido ao sistema pelo terminal quente à temperatura absoluta T H
A escala de temperatura absoluta estabelece que a quantidade relativa de calor
transferido “de”
e “para”
um sistema que realiza um ciclo reversível entre dois
reservatórios às temperaturas TH e TL são iguais às relações entre as temperaturas dos
reservatórios:
Qsai
T
 L
Qentra TH
Assim, a eficiência térmica de uma máquina que opera reversivelmente entre dois
terminais às temperaturas TL e TH é definida como:
  1
TL
TH
Que é usada para expressar a eficiência de uma máquina de Carnot e fornece o
máximo valor de qualquer ciclo operando entre dois reservatórios térmicos.
Como o motor Stirling também é uma máquina térmica que opera um ciclo
reversível entre dois reservatórios térmicos, sua eficiência também pode ser expressa
segundo os mesmos princípios:
Stirling  1 
TL
TH
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Desta relação pode-se deduzir que quanto maior a diferença entre as temperaturas
dos terminais quente e frio, maior a eficiência do motor.
Relevância Social
Interesse renovado tem ocorrido por essas máquinas por diversas razões: interesse na
conservação da energia, preocupação ambiental e a habilidade do motor em funcionar
por períodos prolongados com pouca ou nenhuma manutenção.
O Motor Stirling é uma excelente escolha quando se considera a conservação da
energia. O ciclo Stirling é teoricamente capaz de se aproximar da eficiência do Ciclo de
Carnot, referencial de eficiência máxima para ciclos termodinâmicos.
Os gases usados dentro de um Stirling nunca deixam a máquina. Não há válvulas de
expansão ou respiros como nos motores a gasolina ou a diesel, e não existem explosões.
Por isto, os motores Stirling são muito silenciosos.
Em função de funcionar a partir de qualquer diferencial de temperatura, estes
motores admitem qualquer fonte externa de calor, como queima de combustível, energia
solar, ou mesmo explorar energia geotérmica, ou de biomassa. Pode também extrair
energia útil a partir de qualquer fonte de calor que seja rejeito de energia de outro
processo.
É extremamente amigável ambientalmente, porque usa combustão externa. Tal
processo de combustão pode ser controlado para liberar máximo de calor com emissões
extremamente baixas. Também é um motor silencioso, porque não existem explosões,
como nos motores de combustão interna. Em função disto, motores Stirling são hoje
usados para algumas aplicações muito especializadas, como em submarinos ou
geradores auxiliares de potência, onde a operação silenciosa é importante.
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O motor pode ser revertido e usado como refrigerador, e com a crescente
preocupação com o efeito estufa e com gases que destroem a camada de ozônio, ele
pode oferecer uma alternativa altamente viável.
Trabalha-se com um gás selado, assim a combustão e subseqüente contaminação
estão isolados do motor. Não há válvulas de escape ou respiros. A limpeza interna, junto
com a simplicidade do mecanismo, o tornam altamente apropriado para ambientes
extremos. A NASA tem desenvolvido ativamente motores tipo Stirling e refrigeradores
para uso no espaço e em outros planetas.
Ferramenta de ensino
Estes motores são adequados ao estudo teórico de ciclos termodinâmicos,
necessários em qualquer currículo de engenharia.
Normalmente, é difícil observar a relação direta entre o consumo de combustível e a
potência gerada. O motor Stirling permite a demonstração da conversão direta de
energia térmica em energia mecânica de maneira diretamente observável e fácil de ser
estudada.
Atualidades
Embora o motor Stirling original tenha sido patenteado em 1816 pelo escocês Rev.
Dr. Robert Stirling, os sistemas solares são desenvolvimentos relativamente recente. O
sistema consiste de um espelho parabólico que rastreia e captura a luz solar e a reflete
para dentro de um motor Stirling situado no ponto focal do espelho. O motor Stirling
então aciona um alternador para gerar energia elétrica. Ele pode trazer eletricidade para
áreas que possuem grande intensidade de iluminação solar mas não têm linhas de
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transmissão elétrica. Pode ser aplicado para bombeamento de água ou até mesmo
dessalinizar água.
O prato concentrador de energia solar rastreia o sol através do céu e usa 16 painéis
circulares cobertos com uma membrana metálica de baixo custo e espelhos para
focalizar o calor para dentro do sistema do dispositivo Stirling. O motor converte o
calor em eletricidade fazendo girar um eixo acoplado a um gerador. O sistema também
pode ser usado com combustíveis alternativos líquidos ou gasosos como diesel, biogás,
propano, gás natural e álcool para suplemento ou suplantar o calor solar necessário à
noite ou em dias nublados [10].
Esta forma de tecnologia não tem mais do que trinta anos e estima-se esteja
amadurecida por volta de 2010.
O que a torna particularmente interessante, é a
eficiência de conversão em torno de 25 a 30%, alcançada em algumas demonstrações
deste tipo de sistema. Isto é significativamente maior do que a da
convencional
tecnologia fotovoltaica.
Alguns destes dispositivos já operam nos Estados Unidos, como na Carolina do Sul.
Companhias como a SES – Stirling Energy Systems [3], têm investido no rápido
desenvolvimentos dos sistemas solares.
Alguns projetos do Departamento de Energia do Estados Unidos estão voltados para
o desenvolvimento de motores Stirling de pequena escala utilizando biomassa como
combustível, para uso residencial. Também existem pesquisas no Japão e na Europa
para aplicação do motor Stirling utilizando gás natural como combustível.
A tecnologia de uso de energia solar encontra-se em fase adiantada de estudos e
desenvolvimento.
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Bibliografia
[1] HIRATA, K. (1995). Welcome to Stirling Engine Home Page [Online].
WebRing. Disponível em: www.bekkoame.ne.jp/~khirata/. [27 jul. 2003].
[2] SLAWSON, D. J.; LIDEN, R. B.; OSBORN, D. B.; LEVINE, S. P., Concentra
ting Solar Power is “Fuel from the Sky” [Online]. Stirling Energy
[3]
System SES. Disponível em: http://www.stirlingenergy.com/solar_overview.
htm. [27 jul. 2003].
[5] SIER, R. (1995). Rev. Robert Stirling D. D. [Online]. WebRing. Disponível
em: www.stirlingengines.org.uk/pioneers/pion2.html. [01 ago. 2003].
[6] CULP A. W. Principles of Energy Convertion, Singapore, McGraw-Hill Series
in Mechanical Engineering, 1991.
[7] MORAN, M. J., SHAPIRO H. N.,
Fundamentals
of
Engineering
Thermodynamics, USA, John Wiley & Sons, Inc. , 1995.
[8] JONES, J. B., DUGAN, R. E., Engineering Thermodynamics, USA: Prentice
Hall, 1996.
[9] SAAD, M. A., Thermodynamics: principles & practice, USA: Prentice-Hall,
1997.
[10] ZOLLARS R., HOFFMAN Z. H. (1998). Department of Energy Hosts
Inauguration of SAIC/STM/APS Solar Energy Technology. [Online]
SAIC - Science Applications International Corporation. Disponível em:
www.saic.com/[28 jul. 2003]
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