artigo motor stirling v.2.1

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Motor Stirling
FABIO A. S. CONCEIÇÃO¹; JOÃO KOSIBA2; MARCELO MARTINS³;
MARCOS J. PEREIRA4 
1 FACULDADE EDUCACIONAL DE ARAUCARIA
RESUMO
O motor Stirling até hoje é ainda pouco conhecido, o mesmo foi desenvolvido pelo engenheiro escocês Robert Stirling no ano de 1816, esse motor possui o diferencial de ter combustão externa, podendo assim gerar trabalho a partir de várias fontes caloríficas como: Gases, madeira, biomassa, energia solar, entre outras.
Diante da temática do uso da energia vinda de fontes alternativas, é mostrado a aplicabilidade dos motores Stirling, seu funcionamento e ciclo de trabalho.
Onde o foco principal deste trabalho foi de 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 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.
ABSTRACT
The Stirling engine to this day is still little known, the same was developed by the Scottish engineer Robert Stirling in the year of 1816, this engine has the differential of having external combustion, being able to generate work from several heat sources like: Gases, wood, biomass, solar energy, among others.
Facing the issue of the use of energy from alternative sources, the applicability of Stirling engines, their operation and work cycle is shown.
Where the main focus of this work was to draw attention to a type of alternative cycle of energy production. The Stirling cycle has been known since the nineteenth century, when it was designed to replace steam engines that at the time were dangerous to the people who ran them. It was replaced
later on due to the dominion that happened to have on these machines and fluids of work, derived mainly of petroleum. Nowadays, it has become an alternative source of mechanical or electrical energy generation, due to its versatility, low noise, poor maintenance and mainly because it allows to glimpse the use of alternative and inexhaustible sources of energy, such as sunlight, in the search of forms of production of useful energy in a sustainable way and without aggression to the environment.
Key Words: Stirling Cycle, Alternative Sources, Stirling Engine.
1 INTRODUÇÃO
O motor Stirling é um motor de combustão externa, aperfeiçoado pelo pastor escocês Robert Stirling em 1816, auxiliado pelo seu irmão engenheiro.
Eles visavam a substituição do motor a vapor, com o qual o motor Stirling tem grande semelhança estrutural e teórica. No início do século 19, as máquinas a vapor explodiam com muita frequência, em função da precária tecnologia metalúrgica das caldeiras, que se rompiam quando submetidas à alta pressão.
Sensibilizados com a dor das famílias dos operários mortos em acidentes, os irmãos Stirling buscaram conceber um mecanismo mais seguro. É referido também como "motor de ar quente", por utilizar os gases atmosféricos como fluido de trabalho. 
O motor Sterling e pouco conhecido, este motor possui o diferencial de combustão externa. Sulzbach (2010).
OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo Principal
	A construção de um motor Stirling para fins de aprimoramento com o conhecimento adquirido ao longo do curso de engenharia mecânica da faculdade educacional facear chamando assim a atenção dos alunos de graduação nos cursos de engenharias para fontes alternativas de energias renováveis.
Mostrar a aplicação, seu funcionamento, as etapas que procedem o processo de construção, testes de desempenho e avaliação geral do protótipo construído . 
1.1.2 Objetivo Especifico
- Divulgar a aplicação do motor Stirling na indústria.
- Descrever suas etapas de construção.
- Desenvolver um protótipo de testes.
- Verificar seu funcionamento.
- Identificar possíveis falhas para melhoria continua.
 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 ROBERT STIRLING 
 
Foi um clérigo escocês, que nasceu a 25 de Outubro de 1760, em Cloag Farm.
 Stirling herdou do seu pai o grande interesse em Engenharia e estudou na Universidade de Edimburgo e na Universidade de Glasgow, tornando-se um ministro da Igreja da Escócia, em 1816. Em 1819 casou com Jean Rankin, com a qual teve sete filhos, incluindo os Engenheiros James e Patrick Stirling.
A 6 de Junho de 1878, Robert Stirling faleceu em Galston.
Stirling foi o grande inventor do Motor de Combustão Externa, ao qual foi atribuído o seu próprio nome – Motor Stirling.
No início do desenvolvimento das máquinas a vapor (século XIX), a tecnologia e os materiais de construção das caldeiras de pressão eram defeituosos, o que provocava inúmeros acidentes graves com explosões desastrosas e, consequentemente, muitas vítimas mortais.
Sendo este o panorama de um novo século, o pastor escocês Robert Stirling e o seu irmão, procuraram desenvolver um mecanismo mais seguro, isto é, um motor que se aproximava imenso do motor das máquinas a vapor mas que, ao funcionar com pressões relativamente mais baixas devido ao uso interno de ar ou outros gases, proporcionava uma maior segurança àqueles que trabalhavam com as máquinas.
Assim, em 1818, o primeiro motor foi construído para bombear água numa pedreira e, ao longo dos anos, foi aperfeiçoado, sendo em 1843 utilizado para mover máquinas numa fundição.
A dinâmica simples e elegante do engenho de Stirling foi explicada em 1850 e, em 1950, Rolf Meijer, baptizou este motor como “Motor de Stirling”, generalizando todos os engenhos regenerativos de circuito e com aquecimento externo.
Para além das vantagens acima referidas que a invenção proporcionou, é também importante referir que este motor contem um regenerador ou economizador que permite obter uma eficiência superior ao dos motores de gasolina, diesel e máquinas a vapor e também economizar energia.
2.2 COMO FUNCIONA?
O Motor Stirling surpreende pela sua simplicidade, pois é constituído por duas câmaras de diferentes temperaturas que aquecem e resfriam um gás de forma alternada, provocando expansão e contração cíclicas, o que faz movimentar dois êmbolos ligados a um eixo comum. Este tipo de motor funciona com um ciclo termodinâmico composto por 4 fases e executado em 2 tempos do pistão:
Compressão Isotérmica (= temperatura constante)
Aquecimento Isométrico (= volume constante)
Expansão Isotérmica
Resfriamento Isométrico
O seu funcionamento baseia-se no ciclo de Carnot, (válido para gases perfeitos), que estabelece o limite teórico máximo de rendimento das máquinas térmicas. O gás utilizado nos modelos mais simples é o ar. O hélio ou hidrogénio pressurizado (até 15 MPa) são empregados nas versões de alta potência e rendimento por serem gases com condutividade térmica mais elevada, 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, tratando-se portanto de uma máquina de ciclo fechado. Pela observação da figura 1 podemos constatar que este é um ciclo ideal que trabalha entre duas temperaturas, Tf e Tq, onde a segunda é superior à primeira.
FIGURA 1: CICLO DE CARNOT, DIAGRAMA DE PRESSÃO X VOLUME 
 FONTE: WIKIPEDIA
Processo de A para B:  corresponde a uma expansão isotérmica à temperatura Tq. O gás é posto em contacto térmico, através da base do cilindro, com uma fonte de energiasob a forma de calor à temperatura Tq. Durante a expansão do volume VA para o volume VB, o gás recebe energia, |Qq|, e realiza trabalho, WAB, para empurrar o pistão, aumentando, desta forma, o volume dentro do cilindro.
Processo de B para C:  a base do cilindro é substituída por uma parede não condutora e o gás expande de forma adiabática, isto é, não entra nem sai do sistema energia sob a forma de calor. Durante a expansão, a temperatura do gás diminui de Tq para Tf e o gás realiza trabalho, WBC, ao empurrar o pistão.
Processo de C para D:  o gás é posto em contacto térmico, através da base do cilindro, com uma fonte de energia sob a forma de calor à temperatura Tf , sendo comprimido isotermicamente. O pistão move-se de forma a diminuir a área dentro do cilindro, realizando trabalho, WCD, sob o gás que é comprimido até ao volume VD. Durante este processo, o gás transfere energia sob a forma de calor, |Qf|, para a fonte fria.
Processo de D para A:  novamente a base do cilindro é substituída por uma parede não condutora, ocorrendo uma compressão adiabática. O gás continua a ser comprimido pelo pistão que realiza trabalho, WDA, sob o gás, o qual aumenta novamente a sua temperatura até Tq, sem que haja qualquer troca de calor no sistema.
2.3 TIPOS DE MOTORES
Todos os motores Stirling têm uma função semelhante, mas podem ser classificados em tipos diferentes de acordo com a posição do seu pistão de energia e a imersão deste. Assim, podemos classificá-los em três grupos:
2.3.1 Alfa
 Este tipo de motor foi projetado por U.S.Rider. Possui dois pistões instalados em cilindros independentes, cujo movimento alternado faz o gás deslocar-se entre o espaço quente e o espaço frio. Ambos os cilindros estão ligados por um tubo onde está situado o regenerador que armazena e transfere o calor. O mecanismo deste motor é bastante simples, no entanto, as altas temperaturas fazem com que os materiais se deteriorem mais facilmente, obrigando a uma manutenção mais rígida.
FIGURA 2: MOTOR ALFA COM CILINDRO EM V
 FONTE: GOOGLE
2.3.2 Beta
Este foi o tipo de motor projetado por Robert Stirling. É constituído por um cilindro dividido em duas zonas, uma quente e outra fria, que, com ajuda de dois pistões dentro desse mesmo cilindro, vão permitir movimentar o ar quente para a zona de ar frio e vice-versa. Para permitir o funcionamento deste motor, um dos pistões encontra-se a 90 graus. Do ponto de vista termodinâmico é o motor mais eficiente, mas sua construção está complicada porque o pistão deve ter duas varas e permitir a passagem da haste que se move a alavanca.
FIGURA 3: MOTOR BETA COM 2 CILINDOS EM 90º
 FONTE: GOOGLE
2.3.3 Gama
 Este motor é muito semelhante ao do tipo beta, porém, os seus cilindros são diferentes, permitindo assim uma separação completa entre a zona de compressão do ar e da expansão. Do ponto de vista termodinâmico é menos eficaz do que o do tipo beta, pois o trabalho de expansão é feito inteiramente a baixas temperaturas. Nos dois últimos tipos de motores, existe um deslocador que permite isolar as zonas quente e fria e, ao mesmo tempo, movimentar uma grande quantidade de gás, deixando uma folga para que ele passe de um lado para o outro.
 FIGURA 4: MOTOR GAMA 
 FONTE: GOOGLE
Nos dois últimos tipos de motores, existe um deslocador que permite isolar as zonas quente e fria e, ao mesmo tempo, movimentar uma grande quantidade de gás, deixando uma folga para que ele passe de um lado para o outro.
2.4 VANTAGENS DA UTILIZAÇÃO DO MOTOR DE COMBUSTÃO EXTERNA STIRLING
 
É pouco poluente: ao contrário dos motores de combustão interna, nos motores de Stirling, a combustão é contínua, permitindo assim uma maior eficiência pois gasta mais completa e eficientemente o combustível que estiver a utilizar.
É alimentado por diversos combustíveis: Os motores Stirling podem utilizar quase todas as fontes energéticas conhecidas, desde gasolina, etanol, metanol, gás natural, Diesel, biogás, energia solar e até mesmo calor geotérmico, entre outros.
O seu funcionamento silencioso: o facto de não possuir válvulas nem muitos elementos móveis, o nível de ruído e vibração é baixíssimo.
Baixo desgaste interno e consumo de lubrificante: os produtos da combustão não entram em contato direto com as partes móveis do motor e, por conseguinte, não há contaminação do lubrificante. Nos motores Stirling, ao contrário dos motores de combustão interna, as temperaturas são menores e as paredes do motor podem ser refrigeradas o que permite inclusive o uso da água como lubrificante no lugar dos óleos.
Permite uma boa adaptação: como o motor de Stirling é composto por elementos simples, estes podem ser dispostos de diversas maneiras, possibilitando assim uma maior adaptação a diferentes espaços físicos.
2.5 DESVANTAGENS DA MESMA UTILIZAÇÃO
Elevado custo: O motor Stirling ainda é mais caro do que, por exemplo, um motor Diesel da mesma potência. Esta diferença de preço provem do fabrico e da produção dos seus elementos que, apesar de serem simples, têm de ter materiais específicos.
Perfeita vedação: os motores Stirling necessitam de boa vedação das câmaras que contém o gás de trabalho para evitar a contaminação do lubrificante. O rendimento do motor é normalmente maior com altas pressões, conforme o gás utilizado, porém quanto maior a pressão de trabalho maior é a dificuldade de vedação do motor.
2.6 ATUALIDADES
Como já foi mencionado, este motor foi construído em 1816 para dinamizar os estragos provocados pelas máquinas a vapor mas, o avanço tecnológico, permitiu-lhe ser utilizado em grande escala graças às suas vantagens.
Assim, os motores de Stirling estão a ser implantados em submarinos e painéis solares de modo a responderem a algumas necessidades destes.
3 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO (PROTÓTIPO)
3.1 ETAPA 01
Após a obtenção dos materiais necessários, deu-se início a construção e montagem do Motor.
FOTO 1: PEÇAS UTILIZADAS
FONTE: MARCELO MARTINS
3.2 ETAPA 02
Começando pela base da biela e o suporte do eixo.
Pegue o suporte do eixo e fixe-o através do parafuso da base a placa superior da caixa.
FOTO 2: BASE E BIELA
 FONTE: MARCELO MARTINS
3.3 ETAPA 03
Coloque o volante no eixo do suporte e fixe com a canopla,prenda o eixo com uma mão e com a outra gire a canopla até ficar apertado não precisa ultilizar nenhuma ferramenta.
FOTO 3: VOLANTE E EIXO
 FONTE: MARCELO MARTINS
3.4 ETAPA 04
Coloque o rolamento da biela ao furo da canopla e fixe através de um parafuso,ultilize chave Philips ,o pistão da biela deve estar dentro da camisa do pistão existente na placa.
FOTO 4: FIXAÇÃO BIELA, ROLAMENTO E CANOPLA
FONTE: MARCELO MARTINS
3.5 ETAPA 05
Coloque a haste do deslocador no furo central da placa superior,alinhe a haste de forma a encaixar dentro da presilha da bielaafaste o deslocador da placa de 2 a 3mm,ao mesmo tempo posicione o rolamento da biela de forma a ficar o mais alto possivel em relação ao centro do eixo.
FOTO 5: ALINHAMENTO DA HASTE
 FONTE: MARCELO MARTINS
3.6 ETAPA 06
Coloque o anel de vedação no tubo lateral da caixa ,o anel deve ocupar a canaleta do tubo uniformemente.
FOTO 6: ANEIS DE VEDAÇÃO
FONTE: MARCELO MARTINS
3.7 ETAPA 07
Coloque a placa de fundo sobre o anel de vedação que esta na canaleta do tubo e coloque 5 parafusos alternando os furos, vire o conjunto e coloque-o sobre uma mesa, coloque o segundo anel de vedação na canaleta do tubo lateral da caixa o anel deve ocupar a canaleta do tubo uniformemente 
FOTO 7: CONJUNTO PRÉ-MONTADO
 FONTE: MARCELO MARTINS
3.8 ETAPA 08
Alinhe a furaçãoda placa superior aos 5 parafusos coloque 5 porcas nos parafusos e aperte manualmente verifique se os anéis de vedação continuam na canaleta .
Coloque manualmente os outros 5 parafusos e suas respectivas porcas nos furos restantes nas placas superior e de fundo,ultilize chave Philips e uma chave de bocaou sextavada de 5,5 mm ou 7/32”e aperte os 10 parafusos alternadamente até atingirem o mesmo torque.
FOTO 8: CONJUNTO PRÉ-MONTADO
 FONTE: MARCELO MARTINS
3.9 ETAPA 09
O motor esta pronto para os devidos testes.
FOTO 9: MOTOR STIRLING GAMA
 FONTE: MARCELO MARTINS
3.10 MATERIAIS
	TABELA 1 - LISTA DE MATERIAIS UTILIZADOS.
	
	MATERIAL
	QUANTIDADE 
	Porca trava do eixo 
	01 peça 
	2 anéis de vedação
	 01 peça 
	Tubo lateral da caixa 
	01 peça 
	2 parafusos 12 por 2 mm 
	01 peça 
	Canopla recartilhada 
	01 peça 
	10 porcas 5,4 por 2,3mm 
	01 peça 
	Parafusos 29 por 2,9 mm 
	01 peça 
	Biela do deslocador com presilha e rolamento 
	01 peça 
	FONTE : PROPRIA (2017)
	
 CONCLUSÃO
Este trabalho tinha como objetivos, o estudo de um motor de Stirling tipo Gama como máquina térmica e como bomba de calor. Apesar dos problemas de vedação gerando fulga de calor, encontrados durante a apresentação de funcionamento na amostra realizada na Facear durante o evento FACEAR ABERTA. De uma maneira geral, pode dizer-se que os resultados obtidos estão dentro do esperado, não tendo ocorrido demais problemas, funcionando perfeitamente após sua remontagem.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
COSTA, D. F. Biomassa como fonte de energia, conversão e utilização. (Monografia). Programa Interinidades de Pós-Graduação em Energia (PIPGE) do Instituto de Eletrotécnica e Energia (IEE) da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2002.
CRUZ, Vinicius Guimarães da. Desenvolvimento experimental de um motor Stirling tipo gama. Universidade Federal da Paraíba: João Pessoa, 2012.
FIGUEIREDO Natalie Jimenez Vérdi de. Utilização do biogás de aterro sanitário parageração de energia elétrica e iluminação a gás: estudo de caso. São Paulo: Universidade Presbiteriana Mackenzie, 2007.
SULZBACH, Jaimir. Projeto e fabricação de um motor stirling modelo didático. Panambi:UNIJUI, 2010.
APÊNDICES 01
APÊNDICES 02
PLANILHA DE CUSTOS – PROJETO INTEGRADOR
TURMA: Engenharia mecânica 5°período
PROJETO: Motor Stirling 
PARTICIPANTES: Fábio A.S. Conceição, Marcelo Martins, João Vitor ,Marcos Pereira 
	ITEM
	QUANTIDADE
	VALOR
	Biela com pistão e rolamento
	01 peça
	R$ 30,00
	 Placa de fundo da caixa
	01 peça
	R$ 5,00
	Volante pendular 110 mm
	01 peça
	R$ 5,00
	Placa superior da caixa
	01 peça
	R$ 10,00
	Suporte do eixo com parafuso da base
	01 peça
	R$ 10,00
	Deslocador de espuma
	01 peça
	R$ 5,00
	Porca trava do eixo
	01 peça
	R$ 5,00
	2 anéis de vedação
	01 peça
	R$ 20,00
	Tubo lateral da caixa
	01 peça
	R$ 10,00
	2 parafusos 12 por 2 mm
	01 peça
	R$ 10,00
	Canopla recartilhada
	01 peça
	R$ 20,00
	10 porcas 5,4 por 2,3mm
	01 peça
	R$ 10,00
	Parafusos 29 por 2,9 mm
	01 peça
	R$ 10,00
	Biela do deslocador com presilha e rolamento
	01 peça
	R$ 39,00
	
	Total
	R$ 189,00