Motor Stirling: diferenças entre revisões

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'''Motor Stirling''' é uma máquina térmica de ciclo fechado. É referido também como motor a [[ar]] quente, por utilizar os gases [[Atmosfera|atmosféricos]] como [[fluido]] de [[Trabalho (física)|trabalho. Obtém energia a partir de uma fonte externa de calor, que pode ser]] qualquer combustível (hidrocarbonetos, biomassa, álcool etc[[Trabalho (física)|), a luz solar ou até mesmo uma xícara de chá ou o calor emitido pela palma das mãos.]]
'''Motor Stirling''' é uma [[máquina térmica]] de ciclo fechado. É referido também como motor a [[ar]] quente <ref>''The Air Engine: Stirling Cycle Power for a Sustainable Future.'' Autor: Allan J. Organ. Elsevier, 2007, pág. 252, {{en}} ISBN 9781845693602 Adicionado em 13/06/2018.</ref> ou motor de [[gás]] quente,<ref>''Advances in Cryogenic Engineering: Proceeding of the 1970 Cryogenic Engineering Conference The University of Colorado Boulder, Colorado June 17–19, 1970.'' Autor: K. D. Timmerhaus. Springer Science & Business Media, 2013, pág. 185, {{en}} ISBN 9781475702446 Adicionado em 13/06/2018.</ref> por utilizar os gases [[Atmosfera|atmosféricos]] como [[fluido]] de [[Trabalho (física)|trabalho]]. Obtém energia a partir de uma fonte externa de calor, que pode ser qualquer [[combustível]] ([[Combustível fóssil|combustíveis fósseis]], [[Biocombustível|biocombustíveis]], [[energia geotérmica]], etc.), a [[luz solar]] ou até mesmo uma xícara de chá ou o calor emitido pela palma das mãos.


Teoricamente, o motor Stirling possui uma alta eficiência energética. Alguns protótipos construídos pela [[empresa]] holandesa [[Philips]] nas décadas de 1950 e 1960 chegaram a índices de 45%, superando facilmente os motores a [[Ciclo de Otto|gasolina]], [[Motor diesel|diesel]] e as [[máquina]]s a [[vapor]] (eficiência entre 20% e 35%).
Teoricamente, o motor Stirling é a máquina térmica com o mais elevado rendimento energético.<ref>''The CRC Handbook of Mechanical Engineering, Second Edition.'' Autor: D. Yogi Goswami. CRC Press, 2004, pág. 8-72, {{en}} ISBN 9781420041583 Adicionado em 13/06/2018.</ref> Alguns [[protótipo]]s construídos pela [[empresa]] [[Holandeses|holandesa]] [[Philips]] nas décadas de 1950 e 1960 chegaram a índices de 45%, superando facilmente os motores a [[Ciclo de Otto|gasolina]], [[Motor diesel|diesel]] e as [[Motor a vapor|máquinas a vapor]] (eficiência entre 20% e 35%).


Hoje sua aplicação inclui, entre outras, geração de energia elétrica em sondas espaciais e em usinas solares de diversas capacidades.
Hoje sua aplicação inclui, entre outras, [[geração de energia elétrica]] em [[sondas espaciais]] e em [[Usina solar|usinas solares]] de diversas capacidades.


== História ==
== História ==


[[Ficheiro:Robert Stirling's engine patent.gif|thumb|200px|direita|Desenho da patente do motor Stirling.]]
[[Ficheiro:Robert Stirling's engine patent.gif|thumb|200px|direita|Desenho da [[patente]] do motor Stirling.]]


Seu inventor foi o [[Pastor (religião)|pastor]] escocês [[Robert Stirling]]<ref>{{en}} [http://www.electricscotland.com/history/men/stirling_robert.htm Electricscotland] Significant Scots. Biografia de Robert Stirling</ref> em 1816, auxiliado pelo seu irmão [[engenheiro]].
Seu [[inventor]] foi o [[Pastor (religião)|Pastor]] escocês [[Robert Stirling]] <ref>{{en}} [http://www.electricscotland.com/history/men/stirling_robert.htm Electricscotland] Significant Scots. Biografia de Robert Stirling</ref> em 1816, auxiliado pelo seu irmão [[engenheiro]].


No início do século XIX, as máquinas a [[Vapor de água|vapor]] explodiam com muita frequência, em função da baixa [[tecnologia]] [[Metalurgia|metalúrgica]] do material aplicado nas [[Caldeira (gerador de vapor)|caldeiras]], que se rompiam quando submetidas à alta [[pressão]].
No início do [[século XIX]], as máquinas a [[Vapor de água|vapor]] explodiam com muita frequência, em função da baixa [[tecnologia]] [[Metalurgia|metalúrgica]] do material aplicado nas [[caldeira]]s, que se rompiam quando submetidas à alta [[pressão]].


Sensibilizados com a dor das [[família]]s dos [[operário]]s mortos em acidentes, os irmãos Stirling procuraram conceber uma máquina mais segura.
Sensibilizados com a dor das [[família]]s dos [[operário]]s mortos em acidentes, os irmãos Stirling procuraram conceber uma máquina mais segura.


O objetivo inicial deles foi a substituição do [[motor a vapor]], com o qual o motor Stirling tem grande semelhança estrutural e teórica.
O objetivo inicial deles foi a substituição do [[motor a vapor]], com o qual o motor Stirling tem grande semelhança estrutural e teórica.{{clr}}


== Funcionamento ==
== Funcionamento ==
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[[Ficheiro:Carnot cycle p-V diagram.svg|thumb|300px|Ciclo de Carnot: diagrama Pressão X Volume.]]


[[Imagem:Ideal-stirling-cycle.gif|thumb|230px|direita|Fases do ciclo Stirling.]]
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Este tipo de motor funciona com um [[ciclo termodinâmico]] composto de 4 fases e executado em 2 tempos do [[pistão do motor|pistão]]: compressão [[isotermia|isotérmica]] (=[[temperatura]] constante), aquecimento [[isometria|isocórico]] (=[[volume]] constante), expansão isotérmica e arrefecimento isocórico. Este é o ciclo ideal (válido para gases perfeitos), que diverge do ciclo real medido por instrumentos. Não obstante, encontra-se muito próximo do chamado [[Ciclo de Carnot]], que estabelece o limite teórico máximo de rendimento das máquinas térmicas.


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Este tipo de motor funciona com um [[ciclo termodinâmico]] ([[ciclo Stirling]]) composto de 4 fases e executado em 2 tempos do [[pistão]]: compressão [[isotermia|isotérmica]] (=[[temperatura]] constante), aquecimento [[isometria|isocórico]] (=[[volume]] constante), expansão isotérmica e arrefecimento [[Transformação isocórica|isocórico]]. Este é o ciclo ideal (válido para [[Gás perfeito|gases perfeitos]]), que diverge do ciclo real medido por instrumentos. Não obstante, encontra-se muito próximo do chamado [[Ciclo de Carnot]], que estabelece o limite teórico máximo de rendimento das máquinas térmicas.
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O motor Stirling surpreende por sua simplicidade, pois consiste de duas câmaras em diferentes temperaturas que aquecem e arrefecem um [[gás]] de forma alternada, provocando expansões e contrações cíclicas, o que faz movimentar dois [[êmbolo]]s ligados a um [[Eixo (mecânica)|eixo]] comum. 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]].


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O motor Stirling surpreende por sua simplicidade, pois consiste de duas câmaras em diferentes temperaturas que aquecem e arrefecem um [[gás]] de forma alternada, provocando [[Dilatação térmica |expansões e contrações cíclicas]], o que faz movimentar dois [[êmbolo]]s ligados a um [[Eixo (mecânica)|eixo]] comum. 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]].
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O gás utilizado nos modelos mais simples é o ar (daí a expressão citada acima); [[hélio]] ou [[hidrogénio|hidrogênio]] pressurizado (até 150[[kgf]]/[[Centímetro quadrado|cm<sup>2</sup>]]) 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.


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O gás utilizado nos modelos mais simples é o ar (daí a expressão citada acima); [[hélio]] ou [[hidrogénio|hidrogênio]] pressurizado (até 150[[kgf]]/[[Centímetro quadrado|cm<sup>2</sup>]]) 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.
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== Animações ==


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=== Animações ===
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! colspan="6" style="background:#F8F8FF;" | As três configurações básicas do motor Stirling:
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|[[Imagem:Alpha Stirling.gif|x150px]]
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|[[Imagem:Animrhombor.gif|x175px]]
|[[Imagem:Animgamma.gif|x175px]]
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! Alfa - com cilindros em V
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! Beta - com êmbolos <br />[[Coaxial|coaxiais]] num <br />mesmo cilindro
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! Gama - com cilindros <br />em linha <br />(ver links externos)
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{| class="wikitable"
|[[Imagem:Animation TDC 01 jeff.gif|x143px]]
|[[Imagem:Philips.gif|x160px]]
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| '''Com [[alternador]] linear.''' || '''Stirling da Philips ([[Década de 1950|anos 50]]).'''
! Com [[alternador]] linear.
! Stirling da Philips ([[Década de 1950|anos 50]]).
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== Vantagens e desvantagens ==
Há 3 configurações básicas deste tipo de motor:


=== Vantagens ===
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* Alfa - com cilindros em V; ('''1''')
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* Beta - com êmbolos co-axiais num mesmo cilindro ('''2''')
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* Gama - com cilindros em linha (ver links externos) ('''3''').

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== Vantagens ==

[[Ficheiro:STM Stirling Generator set.jpg|direita|thumb|230px|Um motor Stirling e um [[gerador]].]]


Esse tipo de motor apresenta diversas vantagens: é pouco [[poluente]] pois a combustão é contínua, e não intermitente como nos motores [[Ciclo de Otto]] e [[Ciclo Diesel]], permitindo uma queima mais completa e eficiente do combustível. Por isso é muito silencioso e apresenta baixa [[vibração]] (não há "explosão"). É verdadeiramente multi-combustível, pode utilizar praticamente qualquer fonte energética: [[gasolina]], [[etanol]], [[metanol]], [[gás natural]], [[óleo diesel]], [[biogás]], [[Gás liquefeito de petróleo|GLP]], [[energia solar]], [[energia geotérmica|calor geotérmico]] e outros. Basta gerar uma diferença de temperatura significativa entre a câmara quente e a câmara fria para produzir trabalho (quanto maior a diferença de temperatura, maior é a eficiência do processo e mais compacto o motor).
Esse tipo de motor apresenta diversas vantagens: é pouco [[poluente]] pois a combustão é contínua, e não intermitente como nos motores [[Ciclo de Otto]] e [[Ciclo Diesel]], permitindo uma queima mais completa e eficiente do combustível. Por isso é muito silencioso e apresenta baixa [[vibração]] (não há "explosão"). É verdadeiramente multi-combustível, pode utilizar praticamente qualquer fonte energética: [[gasolina]], [[etanol]], [[metanol]], [[gás natural]], [[óleo diesel]], [[biogás]], [[Gás liquefeito de petróleo|GLP]], [[energia solar]], [[energia geotérmica|calor geotérmico]] e outros. Basta gerar uma diferença de temperatura significativa entre a câmara quente e a câmara fria para produzir trabalho (quanto maior a diferença de temperatura, maior é a eficiência do processo e mais compacto o motor).


== Desvantagens ==
=== Desvantagens ===


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A sua maior desvantagem na dificuldade de iniciar e variar sua velocidade de rotação rapidamente, sendo complicado o seu emprego em veículos como [[carro]]s e [[caminhões]], embora modelos de [[Automóvel híbrido|propulsão híbrida]] ([[Motor eléctrico|eléctrico]] e motor térmico) possam ser viáveis. Também há problemas técnicos a serem resolvidos quanto ao sistema de vedação, que impede o vazamento do fluido de trabalho, particularmente quando se empregam [[Gás inerte|gases inertes]] e leves (hélio, hidrogénio), difíceis de serem confinados sob alta pressão sem escaparem para o exterior. Alem disso, por ser uma [[tecnologia]] pouco difundida, os motores Stirling são mais caros, tanto na aquisição quanto na manutenção.
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[[Ficheiro:BetaStirlingTG4web.jpg|thumb|230px|Motor Stirling em configuração beta com transmissão rômbica.]]


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Um aperfeiçoamento do motor Stirling chamado de [[motor sónico]] <ref>{{pt}} [http://www.feiradeciencias.com.br/sala22/motor31.asp Feira de Ciências - Motor Sónico: O ar como massa vibrante]</ref> (eficiência de 18%), está em estudo para substituir os [[Gerador termoelétrico de radioisótopos|geradores termoelétricos de radioisótopos]] (eficiência de 7%), em uso actualmente nas [[sondas espaciais]].
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A sua maior desvantagem na dificuldade de iniciar e variar sua velocidade de rotação rapidamente, sendo complicado o seu emprego em veículos como carros e caminhões, embora modelos de [[Automóvel híbrido|propulsão híbrida]] ([[Motor eléctrico|eléctrico]] e motor térmico) possam ser viáveis. Também há problemas técnicos a serem resolvidos quanto ao sistema de vedação, que impede o vazamento do fluido de trabalho, particularmente quando se empregam gases inertes e leves (hélio, hidrogénio), difíceis de serem confinados sob alta pressão sem escaparem para o exterior. Alem disso, por ser uma [[tecnologia]] pouco difundida, os motores Stirling são mais caros, tanto na aquisição quanto na manutenção.


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Um aperfeiçoamento do motor Stirling chamado de [[motor sónico]]<ref>{{pt}} [http://www.feiradeciencias.com.br/sala22/motor31.asp Feira de Ciências - Motor Sónico: O ar como massa vibrante]</ref> (eficiência de 18%), está em estudo para substituir os [[geradores termoeléctricos]] (eficiência de 7%), em uso actualmente nas [[sondas espaciais]].
|[[Imagem:Carnot cycle p-V diagram.svg|x165px]]
|[[Imagem:STM Stirling Generator set.jpg|x165px]]
|[[Imagem:BetaStirlingTG4web.jpg|x165px]]
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! Ciclo de Carnot: diagrama <br />Pressão X Volume.
! Um motor Stirling e um [[gerador]].
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! Motor Stirling em configuração <br />beta com transmissão rômbica.
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== Ver também ==
== Ver também ==

Revisão das 03h07min de 13 de junho de 2018

Motor Stirling é uma máquina térmica de ciclo fechado. É referido também como motor a ar quente [1] ou motor de gás quente,[2] por utilizar os gases atmosféricos como fluido de trabalho. Obtém energia a partir de uma fonte externa de calor, que pode ser qualquer combustível (combustíveis fósseis, biocombustíveis, energia geotérmica, etc.), a luz solar ou até mesmo uma xícara de chá ou o calor emitido pela palma das mãos.

Teoricamente, o motor Stirling é a máquina térmica com o mais elevado rendimento energético.[3] Alguns protótipos construídos pela empresa holandesa Philips nas décadas de 1950 e 1960 chegaram a índices de 45%, superando facilmente os motores a gasolina, diesel e as máquinas a vapor (eficiência entre 20% e 35%).

Hoje sua aplicação inclui, entre outras, geração de energia elétrica em sondas espaciais e em usinas solares de diversas capacidades.

História

Desenho da patente do motor Stirling.

Seu inventor foi o Pastor escocês Robert Stirling [4] em 1816, auxiliado pelo seu irmão engenheiro.

No início do século XIX, as máquinas a vapor explodiam com muita frequência, em função da baixa tecnologia metalúrgica do material aplicado nas caldeiras, que se rompiam quando submetidas à alta pressão.

Sensibilizados com a dor das famílias dos operários mortos em acidentes, os irmãos Stirling procuraram conceber uma máquina mais segura.

O objetivo inicial deles foi a substituição do motor a vapor, com o qual o motor Stirling tem grande semelhança estrutural e teórica.

Funcionamento

Fases do ciclo Stirling.

Este tipo de motor funciona com um ciclo termodinâmico (ciclo Stirling) composto de 4 fases e executado em 2 tempos do pistão: compressão isotérmica (=temperatura constante), aquecimento isocórico (=volume constante), expansão isotérmica e arrefecimento isocórico. Este é o ciclo ideal (válido para gases perfeitos), que diverge do ciclo real medido por instrumentos. Não obstante, encontra-se muito próximo do chamado Ciclo de Carnot, que estabelece o limite teórico máximo de rendimento das máquinas térmicas.

O motor Stirling surpreende por sua simplicidade, pois consiste de duas câmaras em diferentes temperaturas que aquecem e arrefecem um gás de forma alternada, provocando expansões e contrações cíclicas, o que faz movimentar dois êmbolos ligados a um eixo comum. 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.

O gás utilizado nos modelos mais simples é o ar (daí a expressão citada acima); hélio ou hidrogênio pressurizado (até 150kgf/cm2) 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.

Animações

As três configurações básicas do motor Stirling:
Alfa - com cilindros em V Beta - com êmbolos
coaxiais num
mesmo cilindro 		Gama - com cilindros
em linha
(ver links externos)
Com alternador linear. Stirling da Philips (anos 50).

Vantagens e desvantagens

Vantagens

Esse tipo de motor apresenta diversas vantagens: é pouco poluente pois a combustão é contínua, e não intermitente como nos motores Ciclo de Otto e Ciclo Diesel, permitindo uma queima mais completa e eficiente do combustível. Por isso é muito silencioso e apresenta baixa vibração (não há "explosão"). É verdadeiramente multi-combustível, pode utilizar praticamente qualquer fonte energética: gasolina, etanol, metanol, gás natural, óleo diesel, biogás, GLP, energia solar, calor geotérmico e outros. Basta gerar uma diferença de temperatura significativa entre a câmara quente e a câmara fria para produzir trabalho (quanto maior a diferença de temperatura, maior é a eficiência do processo e mais compacto o motor).

Desvantagens

A sua maior desvantagem na dificuldade de iniciar e variar sua velocidade de rotação rapidamente, sendo complicado o seu emprego em veículos como carros e caminhões, embora modelos de propulsão híbrida (eléctrico e motor térmico) possam ser viáveis. Também há problemas técnicos a serem resolvidos quanto ao sistema de vedação, que impede o vazamento do fluido de trabalho, particularmente quando se empregam gases inertes e leves (hélio, hidrogénio), difíceis de serem confinados sob alta pressão sem escaparem para o exterior. Alem disso, por ser uma tecnologia pouco difundida, os motores Stirling são mais caros, tanto na aquisição quanto na manutenção.

Um aperfeiçoamento do motor Stirling chamado de motor sónico [5] (eficiência de 18%), está em estudo para substituir os geradores termoelétricos de radioisótopos (eficiência de 7%), em uso actualmente nas sondas espaciais.

Ciclo de Carnot: diagrama
Pressão X Volume. 		Um motor Stirling e um gerador. Motor Stirling em configuração
beta com transmissão rômbica.

Ver também

O Commons possui uma categoria com imagens e outros ficheiros sobre Motor Stirling

Referências

  1. ↑ The Air Engine: Stirling Cycle Power for a Sustainable Future. Autor: Allan J. Organ. Elsevier, 2007, pág. 252, (em inglês) ISBN 9781845693602 Adicionado em 13/06/2018.
  2. ↑ Advances in Cryogenic Engineering: Proceeding of the 1970 Cryogenic Engineering Conference The University of Colorado Boulder, Colorado June 17–19, 1970. Autor: K. D. Timmerhaus. Springer Science & Business Media, 2013, pág. 185, (em inglês) ISBN 9781475702446 Adicionado em 13/06/2018.
  3. ↑ The CRC Handbook of Mechanical Engineering, Second Edition. Autor: D. Yogi Goswami. CRC Press, 2004, pág. 8-72, (em inglês) ISBN 9781420041583 Adicionado em 13/06/2018.
  4. ↑ (em inglês) Electricscotland Significant Scots. Biografia de Robert Stirling
  5. ↑ (em português) Feira de Ciências - Motor Sónico: O ar como massa vibrante

Bibliografia

  • (em inglês) Reverend Robert Stirling D.D: A Biography of the Inventor of the Heat Economiser and Stirling Cycle Engine. Robert Sier. Editora L.A Mair, 1995. ISBN 0-9526417-0-4
  • (em inglês) Stirling Engine Design Manual. William R. Martini. Editora University Press of the Pacific, 2004. ISBN 1410216047
  • (em português) Dendroenergia: Fundamentos e Aplicações, 2ª Edição. Luiz Augusto Horta Nogueira, Electo Eduardo Silva Lora. Editora Interciência, 2003. ISBN 8571930775
  • (em português) Manual de Tecnologia Automotiva - Tradução da 25ª Edição Alemã. Robert Bosch. Editora Edgard Blucher, 2005. ISBN 8521203780.
  • (em português) Biomassa Para Energia. Luis A.B. Cortez, Edgardo Olivares Gomez, Electo Eduardo Silva Lora. Editora Unicamp, 2008. ISBN 8526807838

Ligações externas

Animações
  • «Keveney» (em inglês). motor tipo Alfa. 
  • «MIT» (em inglês). motor tipo Beta. 
  • «NASA» (em inglês). Beta com transmissão rômbica 
  • «Aeria» (em inglês). motor tipo Gama. 
Vídeos
  • (em português) No site Youtube, existem vídeos sobre o Motor Stirling.
Trabalhos Acadêmico
  • NREL/TP-550-47465 September 2010: CONCENTRATING SOLAR POWER: Best Practices Handbook for the Collection and Use of Solar Resource Data
  • NASA/TM—2007-214806: Development of Advanced Stirling Radioisotope Generator for Space Exploration
Fabricantes
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