Motor Stirling

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Beta stirling animation.gif

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[editar | editar código-fonte]

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[editar | editar código-fonte]

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[editar | editar código-fonte]

As três configurações básicas do motor Stirling:
Alpha Stirling.gif Animrhombor.gif Animgamma.gif
Alfa - com cilindros em V Beta - com êmbolos
coaxiais num
mesmo cilindro
Gama - com cilindros
em linha
(ver links externos)
Animation TDC 01 jeff.gif Philips.gif
Com alternador linear. Stirling da Philips (anos 50).

Vantagens e desvantagens[editar | editar código-fonte]

Vantagens[editar | editar código-fonte]

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[editar | editar código-fonte]

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.

Carnot cycle p-V diagram.svg STM Stirling Generator set.jpg BetaStirlingTG4web.jpg
Ciclo de Carnot: diagrama
Pressão X Volume.
Um motor Stirling e um gerador. Motor Stirling em configuração
beta com transmissão rômbica.

Ver também[editar | editar código-fonte]

O Commons possui uma categoria contendo 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[editar | editar código-fonte]

Ligações externas[editar | editar código-fonte]

Animações
Vídeos
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
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