o ciclo stirling

8/3/2019 O Ciclo Stirling

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UNIPAC - UNIVERSIDADE PRESIDENTE ANTNIO CARLOSENGENHARIA INDUSTRIAL MECNICA

7 PERIODO - NOTURNO

Termodinmica IICiclo Stirling

Douglas Mateus Campos SouzaAntnio Marques Vieira Neto

CONSELHEIRO LAFAIETE2011


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ndice

Introduo.....................................................................................................21.0-Princpio..................................................................................................6

2.0-Ciclo Termodinmico do Motor Stirling..............................................7

3.0-Descrio detalhada do ciclo termodinmico.......................................8

3.1-Compresso Isotrmica (temperatura constante)..............................8

3.2 -Aquecimento Isovolumtrico (volume constante).............................9

3.3-Expanso Isotrmica.............................................................................9

3.4-Resfriamento Isovolumtrico................................................................10

4.0-Motores Stirling........................................................................................11

4.1-Tipos de Motores....................................................................................11

4.1.1-Motores Alpha....................................................................................12

4.1.2-Motores Beta.......................................................................................12

4.1.3-Motores Gama....................................................................................13

Concluso........................................................................................................14

Bibliografia......................................................................................................15


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Introduo

Foi aperfeioado pelo pastor escocs Robert Stirling em 1816, auxiliado pelo seu irmo

engenheiro. Eles visavam a substituio do motor a vapor, com o qual o motor stirling

tem grande semelhana estrutural e terica. No incio do sculo XIX, as mquinas a

vapor explodiam com muita frequncia, em funo da precria tecnologia metalrgica

das caldeiras, que se rompiam quando submetidas alta presso.

Sensibilizados com a dor das famlias dos operrios mortos em acidentes, os irmos

Stirling procuraram conceber um mecanismo mais seguro. referido tambm como

motor de ar quente, por utilizar os gases atmosfricos como fluido de trabalho.

Robert Stirling

So poucas as informaes que se tem sobre pesquisas com este ciclo termodinmico

em universidades brasileiras; h a necessidade de desenvolvimento de pesquisas, porbrasileiros, para casos verdadeiramente voltados a nossa realidade de uso racional, mais

eficiente e com aproveitamento local de diversas fontes trmicas primrias.

O ciclo termodinmico Stirling permite a construo de motores que podem funcionar a

partir de uma fonte de calor qualquer. As pesquisas so recentes em todas as partes do

mundo, atualmente h algumas empresas se especializando na fabricao dos motores

Stirling; h at mesmo, pesquisas que desenvolvem motores que simplesmente operam

a partir de uma fonte sonora.
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Os motores Stirling tm, nas suas vrias configuraes, basicamente dois lados ou

partes. A primeira a parte quente e a outra a parte fria. Esta diviso ocorre devido ao

estado do gs ou fluido de trabalho durante o ciclo termodinmico, na sua expanso e

compresso, absorvendo e liberando calor.

O ciclo Stirling, no seu lado quente, aproveita a energia trmica (calor) de outra fonte,

que pode ser proveniente da queima de algum combustvel ou de certas quantidades de

calor rejeitadas em outros ciclos, como por exemplo, os condensadores das

termoeltricas, ou o escapamento dos automveis. A partir desse calor, o ciclo Stirling

capaz de produzir trabalho, que pode ser aproveitado para a gerao de energia e

tambm pode funcionar como uma geladeira, em substituio aos compressores selados

atuais. A parte fria do motor Stirling o congelador (evaporador dos atuais - ciclo

Rankine). Algumas empresas esto desenvolvendo refrigeradores e caixas trmicas que

funcionam a partir da queima de gs e tambm a partir da energia solar.

Apesar de as pesquisas de aplicaes serem recentes, o ciclo Stirling, como concepo

em si, bastante antigo. Em 1816, o engenheiro escocs Robert Stirling criou um

modelo de um motor que utiliza um determinado volume de um gs qualquer, que

aquecido externamente, sendo forado a entrar numa cmara de volume maior que o

inicial, onde o gs pode expandir-se livremente. A energia desta expanso pode ser

usada para mover motores, gerar energia, ou outra aplicao que se desejar. Ou, como

foi usado em 1873, para refrigerao e/ou aquecimento, absorvendo calor no estgio de

compresso e liberando trabalho ou mais calor na fase de expanso. Nesta poca foram

criados alguns prottipos com uso do ciclo Stirling.

Em breve, espera-se que os motores de combusto interna, que trabalham com a queima

de alguns derivados de petrleo na forma lquida, entrem em desuso, devido

viabilizao do ciclo Stirling e outros ciclos. Outro contemporneo do Stirling, Willian

Rankine, criou um ciclo que foi mais aceito para o uso na refrigerao por causa doadvento dos fluidos refrigerantes, como os CFCs ou freons e outros lquidos

refrigerantes.

Contudo, nos ltimos anos do sculo passado, as inovaes proporcionaram um

aumento de eficincia na gerao de mdias potncias com menores investimentos. O

que possibilita essa reduo nos custos a significativa eficincia do ciclo Stirling,

alcanada sem o uso de flor carbonos como fluido de trabalho.

Refrigeradores Stirling incorporam ao motor o uso de pisto livre (denominadosinternacionalmente de: Stirling Free-Piston) e o uso de hlio ou nitrognio, por


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exemplo, em vez de CFCs e HFCs, o que muito bem visto, tanto que as grandes

corporaes esto cada vez mais usando e desenvolvendo esta tecnologia. Os grandes

fabricantes de veculos automotivos, como aDaimlerChrysler Corp., so os principais

responsveis pelo desenvolvimento e aprimoramento da tecnologia Stirling para uso na

refrigerao.

Os motores Stirling esto sendo estudados, quanto a sua viabilidade para a gerao de

energia eltrica, por causa de sua eficincia, que considerada por muitos como a

melhor em relao a outros mtodos de gerao e, principalmente, quando se deseja o

uso alternativo aos combustveis fsseis.

Habitualmente, o ciclo mais utilizado (e por isso mais estudado) nos refrigeradores

domsticos, por exemplo, o ciclo Rankine. Para estes casos, o ciclo Stirling pode ser

usado como alternativa, atuando com mais eficincia e de maneira ecolgica se

comparado com os refrigeradores que ainda utilizam CFCs ou HFCs.

O ciclo Stirling pode tambm ser usado em outras aplicaes, como no caso da

utilizao de um motor para obteno de trabalho mecnico, ou energia cintica, que

pode ser convertida em energia eltrica. Este motor pode operar a partir de uma fonte

trmica, que normalmente est sendo desperdiada ou eliminada por outro processo

qualquer. Portanto, o motor Stirling pode estar convertendo algo, normalmente

perdido, em trabalho til ou energia eltrica.

Atualmente esto sendo desenvolvidos diversos estudos que objetivam projetar e

fabricar motores operando segundo o ciclo termodinmico Stirling, como motores de

pisto-livre e, at mesmo, motores que funcionam por meio de vibraes provocadas

por ondas sonoras, os chamados motores acsticos.


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1.0-Princpios

O princpio fundamental de um motor Stirling que uma quantidade fixa de gs encerrada no interior do motor. O ciclo Stirling envolve uma srie de eventos que

alteram a presso do gs no interior do motor, fazendo com que ele funcione.

H diversas propriedades dos gases que so essenciais para o funcionamento dos

motores Stirling:

se voc tiver uma quantidade fixa de gs em um volume fixo de espao e atemperatura desse gs aumentar, a presso tambm ir aumentar;

se voc tiver uma quantidade fixa de gs e comprimi-lo (diminuir o volume deseu espao), a temperatura desse gs ir aumentar.

Este tipo de motor funciona com um ciclo termodinmico composto de 4 fases e

executado em 2 tempos do pisto: compresso isotrmica (=temperatura constante),

aquecimento isocrico (volume constante), expanso isotrmica e arrefecimento

isocrico. Este o ciclo idealizado (vlido para gases perfeitos), que diverge do ciclo

real medido por instrumentos. No obstante, encontra-se muito prximo do chamadoCiclo de Carnot, que estabelece o limite terico mximo de rendimento das mquinas

trmicas.

O motor Stirling surpreende por sua simplicidade, pois consiste de duas cmaras em

diferentes temperaturas que aquecem e arrefecem um gs de forma alternada,

provocando expanses e contraces cclicas, o que faz movimentar dois mbolos

ligados a um eixo comum. A fim de diminuir as perdas trmicas, geralmente instalado

um "regenerador" entre as cmaras quente e fria, onde o calor (que seria rejeitado na

cmara fria) fica armazenado para a fase seguinte de aquecimento, incrementando

sobremaneira a eficincia termodinmica. O gs utilizado nos modelos mais simples o

ar (da a expresso citada acima); hlio ou hidrognio pressurizado (at 150kgf/cm2) so

empregados nas verses de alta potncia e rendimento, por serem gases com

condutividade trmica mais elevada e menor viscosidade, isto , transportam energia

trmica (calor) mais rapidamente e tm menor resistncia ao escoamento, o que implica

menos perdas por atrito. Ao contrrio dos motores de combusto interna, o fluido de
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trabalho nunca deixa o interior do motor; trata-se portanto de uma mquina de ciclo

fechado.

O motor Stirling um motor trmico que trabalha a partir da energia proviniente da

expanso e contrao de um gs. De acordo com a lei dos gases ideais, que relacionam

as propriedades do gs: temperatura (T), presso (P) e volume (V) com o nmero de

moles (n), temos a seguinte equao: P.V=n.R.T , onde (R) a constante universal dos

gases. Todo ciclo termodinmico envolve transformaes com a variao de uma destas

trs grandezas fundamentais dos gases.

2.0-Ciclo Termodinmico do Motor Stirling

Ciclo de Carnot: diagrama Presso X Volume.Onde:

1-2Compresso isotrmica (na qual h tambm rejeio de calor).

2-3Calor transferido ao fluido de trabalho a volume constante.

3-4Expanso isotrmica (h tambm transferncia de calor ao fluido de

trabalho).

4-1Calor rejeitado a volume constante.


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3.0-Descrio detalhada do ciclo termodinmico

3.1-Compresso isotrmica (temperatura constante)

O pisto frio se move para cima at um ponto intermedirio, comprimindo o gs de

trabalho, e o calor produzido pela compresso simultaneamente removido.

1 2 = expanso a TH

(temperatura constante) T1

= T2

como se trata de expanso, V2

> V1

ento, seguindo a equao dos gases:P1 x V1 = P2 x V2 => P2 = P1 x V1 , e comoV2

V2

> V1, resulta que P

2< P

1. De acordo com o diagrama, o percurso do estado 1 para o

estado 2 provoca reduo da presso sobre o gs.

Com o volume especfico v, ocorre o contrrio; j que volume especfico a relao

entre o volume ocupado pelo gs e a sua massa (v = V/m), a expanso do gs aumenta

seu volume enquanto a massa permanece constante, assim, conseqentemente h

aumento no volume especfico.


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3.2-Aquecimento isovolumtrico (volume constante)

O pisto do lado frio continua se movendo para cima, do ponto intermedirio at o

ponto mximo enquanto o pisto quente desce at o ponto intermedirio o que faz com

que o gs atravesse o regenerador. Passando pelo regenerador o gs sofre um acrscimo

de temperatura, pois o regenerador est numa temperatura maior do que Tc. Com o

volume constante este acrscimo na temperatura causa um aumento da presso.

2 3 = resfriamento a volume constante V2

= V1

Como se trata de resfriamento, T2

< T1

e P1 = P2 => P2 = P1 x T2

T1 T2 T1Sendo a frao menor do que um, deduz-se que P

2< P

1

O volume especfico v permanece constante, j que nem massa nem volume se alteram.

3.3-Expanso isotrmica

O gs aquecido atravs de uma fonte de calor externa de temperatura (Th) e se

expande. A expanso impulsiona o pisto quente at a posio inferior mnima.


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3 4 = compresso a TC

(temperatura constante) T1

= T2

como se trata de compresso, V2

< V1

ento, seguindo a equao dos gases: P1 x V1 = P2 x V2 => P2 = P1 x V1 , e comoV2

e como V2

< V1, resulta que P

2> P

1

O volume especfico v, reduzido, j que o volume ocupado pelo gs diminui e a massa

permanece constante.

3.4-Resfriamento isovolumtrico

O pisto quente retorna at a posio superior enquanto, simultaneamente, o pisto frio

desce quando o gs passa novamente atravs do regenerador entregando calor que ser

usado novamente na fase dois. Esta transformao a volume constante o que causauma queda de presso do gs. Esta fase completa o ciclo.


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4 1 = aquecimento a volume constante V2

= V1

Como se trata de aquecimento, T2

> T1

e P1 = P2 => P2 = P1 x T2

T1 T2 T1Sendo a frao maior do que um, deduz-se que P

2> P

1

O volume especfico V permanece constante, j que nem massa nem volume se alteram.

4.0-Motores Stirling

4.1-Tipos de motores

Apesar de haver vrios tipos de motor stirling todos funcionam no mesmo princpio. As

diferenas entre uns e outros so maioritariamente a disposio dos cilindros e pistes.

Existem trs grandes tipos de motor stirling:


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4.1.1-Motores Alpha

Um motor alpha constitudo por dois pistes em cilindros separados. Ambos os

cilindros esto ligados exteriormente pelo regenerador. Este tipo de motores tem um

grande ratio de volume poder mas alguns dos seus componentes tm pouca durabilidade

devido s temperaturas elevadas que so necessrias para o funcionamento do motor,

nomeadamente a necessidade da vedao completa (impedindo a passagem de ar) do

motor quente sendo necessrio por isso um selo que se mantm o movimento a

temperaturas muito elevadas.

4.1.2-Motores Beta

O Motor beta tem apenas um cilindro e ambos os pistes funcionam dentro

dele. O pisto quente est relativamente solto permitindo assim a passagem

de ar para a parte fria do cilindro. Deste modo mantm se o ciclo e criam-se as

diferenas de temperatura necessrias para o funcionamento do motor. Com

este tipo de motores evita se alguns problemas existentes com o motor alpha

como o movimento de selos quentes


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4.1.3-Motores Gama

Os motores do tipo gama funcionam como os alpha mas em vez do regenerador ser um

componente separado est includo no corpo do motor. Esta configurao no produztanta compresso

Mas a sua mecnica mais simples e normalmente usado em motores multi-cilindros.


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Para alm destes tambm existe um tipo de motor que consideramos importante. O

motor stirling free piston no possui pistes (como o nome sugere) usando a seu favor

a gravidade para movimentar os componentes. Ainda esto a ser desenvolvidos mas o

seu rendimento consideravelmente superior aos outros e por isso est a ser utilizado

por empresas (que exploram estes motores para a produo de energia)


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Concluso


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Bibliografia

Jonas Cordeiro da Silva. Universidade Federal de Santa Maria, Centro deTecnologiaO uso do ciclo stirling no aproveitamento de Fontes trmicas

UNISAL.Curso Universitrio de So Paulo.Engenharia MecatrnicaMotoresStirling

Tiago Carril Puig RA.971718 . Erasto A. Franco Neto RA.970592-MOTORES STIRLING

Daniel Schulz - UFRGS2009 - Ciclo de Stirling. Aprendizagem significativa determodinmica no ensino mdio atravs do estudo de mquinas trmicas como tema

motivador -MARSHALL BRAIN. "HowStuffWorks - Como funcionam os motores a

diesel".Publicado em 01 de abril de 2000 (atualizado em 14 de abril de

2008)

Wikipedia (Ciclo Stirling), acesso em Out/2011.
mailto:[email protected]:[email protected]

o ciclo stirling

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