PI Motor Stirling 5º período Final

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CENTRO UNIVERSITÁRIO DO LESTE DE MINAS GERAIS – UnilesteMG
Programa Interdisciplinar – PI - CEM
MOTOR STIRLING
Histórico, Princípio de funcionamento, tipos e aplicações.
Marcos José Corrêa
Coronel Fabriciano
2011
	Marcos José Corrêa
	MOTOR STIRLING
Histórico, Princípio de funcionamento, tipos e aplicações.
MARCOS JOSÉ CORRÊA
MOTOR STIRLING
Histórico, Princípio de funcionamento, tipos e aplicações.
Relatório apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Mecânica do Centro Universitário do Leste de Minas Gerais, como requisito parcial para obtenção da nota final no Programa Interdisciplinar do Curso de Engenharia Mecânica.
Orientador (a): Prof. Jorge Sussumu Yamana
Coronel Fabriciano
2011
RESUMO
A busca por fontes alternativas de energia é um fator notável nos centros avançados de pesquisa atualmente, principalmente devido ao esgotamento das fontes não renováveis de energia e do fator meio ambiente, pois a poluição de todas as formas tem gerado muita discussão global. Em contra partida, muitos meios tem se sobressaído principalmente devido ao campo econômico, porém com o avanço dos materiais e da tecnologia empregada aos motores Stirling que no passado perderam campo para os motores de combustão interna vem atualmente ganhando força sendo que sua principal vantagem observada é o fato destes serem de combustão externa, podendo se utilizar qualquer fonte de calor, inclusive a solar por meios de concentradores. Neste trabalho será apresentada tal tecnologia, diferenciando os tipos de motores Stirling com breve detalhamento conforme sua configuração. Também as atuais aplicações práticas serão mencionadas, algumas nações que resolveram largar na frente pela corrida na independência do petróleo tanto no setor econômico como militar e no que se refere a este ultimo termo o comparativo entre motores nucleares e Stirling.
Palavras-chave: Energia, motores Stirling, energia nuclear, tecnologia, corrida militar.
ABSTRACT
The search for alternative sources of energy is a notable factor in advanced research centers today, mainly due to the depletion of non-renewable sources of energy and environmental factor, because all forms of pollution has generated much global discussion. By contrast, many media have distinguished themselves mainly due to the economic field, but with the advancement of materials and technology used to Stirling engines in the past lost field for internal combustion engines is currently gaining momentum and that its main advantage is the fact that these are external combustion, and may use any heat source, including by means of solar concentrators. This work will be presented this technology, different types of Stirling engines with brief details depending on your configuration. Also the current practical applications will be mentioned, some nations that decided to drop in front in the race for oil independence both in economic and military sector and with regard to this last term the comparison between nuclear and Stirling engines.
Keywords: Energy, Stirling engine, nuclear energy, technology, military bullfighting.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1. Rev Dr Robert Stirling (1790-1878)	8
Figura 2. Reprodução do desenho mostrando o primeiro motor Stirling.	9
Figura 3. Protótipo experimental de dois cilindros, motor Stirling dupla ação.	9
Figura 4. Gerador Stirling da PHILIPS Corporation (Holanda)	10
Figura 5. Motor Stirling tipo Cinético em corte e parte física.	12
Figura 6. Motor Stirling tipo Pistão livre em corte e parte física.	13
Figura 7. Configuração Alfa, esquema didático.	13
Figura 8. Esquema CAD e foto de um motor Stirling tipo Alfa	14
Figura 9. Configuração Beta, esquema didático.	15
Figura 10. Configuração Gama, esquema didático.	15
Figura 11. Dispositivo piloto acústico para geração de eletricidade	16
Figura 12. Detalhamento do dispositivo piloto termo acústico	17
Figura 13. Gráfico do ciclo de Stirling	18
Figura 14. Descrição do ciclo de Stirling	19
Figura 15. Esquema didático de captação de energia solar	23
Figura 16. Base de Concentradores solares com moto-gerador Stirling	24
Figura 17. Conversor avançado Stirling da NASA	25
Figura 18. Crycooler da BeCOOLTM.	26
Figura 19. Esquema simplificado do sistema AIP.	28
Figura 20. Sistema sueco de AIP com motor Stirling da Kockums.	29
Figura 21. Bomba d'água Sunwell 50.	30
Figura 22. Kit didático, Boehm Stirling HB14-AO4	30
Figura 23. Motor Stirling usado na refrigeração de semicondutores	31
SUMÁRIO
1	INTRODUÇÃO	6
2	CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE MOTORES TÉRMICOS	6
3	PRINCÍPIOS TERMODINÂMICOS	6
3.1	Entropia	7
3.2	Entalpia	7
4	fatos históricos	7
5	Princípio de funcionamento	11
5.1	Configurações	13
5.2	Motor Termo acústico	16
6	CICLO STIRLING	18
6.1	O ciclo ideal de Stirling	18
6.2	EFICIÊNCIA DO MOTOR STIRLING	20
6.3	Características gerais	21
7	Aplicaciones modernas	22
7.1	Energia Solar - Stirling	22
7.2	NASA - Stirling	24
7.3	Sistema AIP - Air Independent Propulsion (Propulsão independente do Ar)	26
7.3.1	Princípio de funcionamento	27
7.3.2	Outros dispositivos	29
8	Considerações	32
REFERÊNCIAS	33
INTRODUÇÃO
O ciclo termodinâmico Stirling permite a construção de motores que podem funcionar a partir de uma fonte de calor qualquer e vários são empregadas dependendo apenas da disponibilidade de cada região onde o motor é empregado que pode ser desde a biomassa, fosseis, por concentradores solares e também pode operar a partir de uma fonte térmica quer seja fria ou quente, que normalmente está sendo desperdiçada ou eliminada por outro processo qualquer. Portanto, o motor Stirling pode estar convertendo algo, normalmente “perdido”, em trabalho útil ou energia elétrica.
As pesquisas são recentes em todas as partes do mundo, empresas se especializando na fabricação dos motores Stirling; há até mesmo, pesquisas que desenvolvem motores que simplesmente operam a partir de uma fonte sonora denominados motores termo-acústicos.
O ciclo Stirling pode também ser usado em outras aplicações, como no caso da utilização de um motor para obtenção de trabalho mecânico, ou energia cinética.
CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE MOTORES TÉRMICOS 
Motores térmicos são máquinas que têm por objetivo transformar energia calorífica em energia mecânica útil. Do ponto de vista termodinâmico, (Van Wylen, 1995), define motor térmico como um sistema que opera segundo um ciclo, realizando um trabalho líquido positivo e trocando um calor líquido positivo, ou seja, uma máquina térmica pode ser definida como um dispositivo que, operando sob um ciclo termodinâmico, realiza trabalho líquido positivo a custa de transferência de calor de um corpo em temperatura elevada para um corpo em temperatura baixa.
PRINCÍPIOS TERMODINÂMICOS 
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.
O 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). 
Para verificar os processos termodinâmicos é comum colocar os dados de cada fase em gráficos de processos.
 
Entropia 
A palavra entropia foi usada pela primeira vez em 1850, pelo físico alemão Rudolf Julius Clausius (1822-1888). A origem da palavra são os radicais gregos EN (dentro) e tropee (mudança, troca, alternativa). O termo foi amplamente trabalhado na física para designar a Segunda Lei da Termodinâmica. 
Entalpia 
A entalpiaé uma propriedade termodinâmica definida como a soma da energia interna de um sistema (U) e do produto entre a pressão (p) e o volume (V) do sistema:
fatos históricos
O motor Stirling foi concebido em 1816, 40 anos antes de Carnot formular os primeiros conceitos da termodinâmica. Seu inventor o reverendo escocês Robert Stirling, mostrado na figura 1.
Figura 1. Rev Dr Robert Stirling (1790-1878)
Fonte: http://www.stirlingengines.org.uk/pioneers/pion2.html
“[...] A patente original, n º 4081 de 1816, tinha o título Melhorias obscuros ‘Improvements for Diminishing the Consumption of Fuel, and in particular an Engine capable of being Applied to the Moving (of) Machinery on a Principle Entirely New’. Nele Stirling não apenas descreveu a construção e uso de um regenerador, mas pela primeira vez na história, também previu principais aplicações, como para fabricação e fundição fornos nos de vidro ou ferro [“...]”. (Tradução Nossa) (FINKELSTEIN, 2001). Pág. 21.
O objetivo era desenvolver uma alternativa as máquinas térmicas a vapor da época, pois a tecnologia empregada e os materiais de construção das caldeiras de pressão eram deficientes o que provocava inúmeros acidentes graves com graves explosões desastrosas sendo que em muitas com vitimas fatais. A máquina de Stirling era mais segura porque funcionava com pressões relativamente baixas usando internamente o ar ou outros gases. Na figura 2 é mostrado o esquema referente ao primeiro motor de Robert Stirling a partir da especificação de patente de 1816 (versão de Londres).
Figura 2. Reprodução do desenho mostrando o primeiro motor Stirling.
Fonte: (FINKELSTEIN, 2001). Pág. 22 
Seu uso prático foi restringido a aplicações domésticas de baixa potência durante mais de um século. Como mostrado na figura 3 um motor Stirling de dupla ação para refrigeração doméstica.
Figura 3. Protótipo experimental de dois cilindros, motor Stirling dupla ação para refrigeração doméstica, fabricado em 1957. Reproduzido com permissão de GEC Alstom Ltda. (tradução nossa) (Experimental prototype of two-cylinder, double-acting Stirling engine for domestic refrigeration, built in 1957. Reproduced with permission of GEC Alstom Ltd).
Fonte. FINKELSTEIN, 2001. Página 63.
O dispositivo de Stirling foi utilizado pela primeira vez em 1818 para bombear água numa pedreira. Em 1843, as alterações ao desenho feitas por Stirling e pelo seu irmão tinham já permitido um aumento de potência suficiente para mover maquinaria numa fundição em Dundee (Escócia), ainda que com muitos problemas técnicos. 
Fleeming Jenkin sugeriu em 1884 que todas as máquinas térmicas regenerativas de ciclo fechado e com um fluido de trabalho no estado gasoso passassem a ser chamados motores Stirling, mas as empresas e os inventores de diferentes configurações continuaram a usar os seus próprios nomes nos seus produtos durante várias décadas. 
Segundo FINKELSTEIN (2001, p. 23), “[...] este motor foi considerado por Stirling para ser uma evolução lógica baseada na regeneração, um fato tristemente negligenciado pelos inovadores mais tarde”.
As indústrias Philips reutilizaram o desenho no final dos anos 30 e inícios dos anos 40 com vista à alimentação de rádios de válvula em zonas sem energia elétrica (numa altura em que os motores Stirling tinham praticamente deixado de ser usados). Na figura 4 é mostrado um moto gerador baseado no ciclo Stirling fabricado pela Philips da Holanda.
Figura 4. Gerador Stirling da PHILIPS Corporation (Holanda) 
Fonte: HIRATA, 1995. 
O motor Otto foi inventado em 1877 e o motor diesel em 1893, e estes apresentavam maiores potencia comparado aos motores Stirling da época. Os motores Stirling requeriam uma atenção especial em sua fabricação, que tinha uma tolerância mais estreita do que a requerida pelos motores de combustão interna. A combinação de um menor custo de fabricação e uma maior potência gerada pelos motores de combustão interna levaram ao desaparecimento comercial do motor Stirling. Somente
“[...] Após a segunda Guerra Mundial, com a invenção da classe dos aços inoxidáveis, e com o aumento do conhecimento matemático que explica a operação do ciclo do motor Stirling, acarretou no desenvolvimento de um motor mais barato e mais eficiente. Quando a tecnologia do motor aumentou, a sua capacidade de usar qualquer combustível disponível passou a gerar interesse em seu principio novamente. Devido ao motor Stirling ser de combustão externa, e não requerer reenchimento, ele é indicado para regiões isoladas, onde se necessitam geração de potência, ou seja, trabalhando como geração distribuída [...]”. (BARROS, et al).
Princípio de funcionamento
“O princípio de funcionamento do Motor Stirling é completamente diferente dos motores de combustão interna comuns. Um motor Stirling sempre contém um gás pressurizado (ar, hélio ou hidrogênio) no cilindro, que é chamado de gás de trabalho. A Potência é gerada não pela queima explosiva de combustível no cilindro, mas pelo aquecimento e resfriamento do gás de trabalho pelo lado de fora do cilindro. O espaço interno do cilindro é preenchido com gás de trabalho. A função do pistão de deslocamento é transferir o gás da câmara quente para a câmara fria e vice-versa, com o objetivo de aumentar ou diminuir a temperatura do gás de trabalho. A mudança na temperatura do gás de trabalho causa uma subsequente mudança na pressão do mesmo, que gera força para movimentar o pistão. A potência de saída do motor é entregue ao eixo”. (NAKAJIMA, 1989).
Portando seu funcionamento é baseado em um ciclo fechado, onde o gás de trabalho é mantido dentro dos cilindros e o calor é adicionado e removido do espaço de trabalho através das paredes dos cilindros quer seja por resfriamento forçado (água) por meios de trocadores de calor ou resfriamento natural através de aletas ao redor do cilindro.
Portanto a energia que gera o trabalho é proveniente da expansão e contração de um gás. De acordo com a lei dos gases ideais, que relaciona as propriedades do gás: temperatura (T), pressão (P) e volume (V) com número de moles (n) e a constância dos gases (R).
Todo ciclo termodinâmico envolve transformações com a variação da pressão, volume e temperatura, três grandezas fundamentais dos gases, que podem ser relacionadas de acordo com a equação já citada.
Motores Stirling são máquinas térmicas únicas porque sua eficiência teórica é aproximadamente igual à eficiência teórica máxima conhecida como eficiência do Ciclo de Carnot. 
Existem dois tipos de motores Stirling; os tipos cinéticos, que convertem energia térmica em movimento usando um pistão conectado mecanicamente a um eixo, mostrado na figura 5 em corte e seu respectivo motor físico. 
	
	
Figura 5. Motor Stirling tipo Cinético em corte e parte física.
Fonte: http://www.ecotec2000.de/espanol/stir2.htm#apli
Os tipos pistão livre que usam uma bobina e dispositivos magnéticos para gerar energia elétrica como é mostrado na figura 6 em corte e seu respectivo motor físico. 
	
	
Figura 6. Motor Stirling tipo Pistão livre em corte e parte física.
Fonte: HIRATA, 1995. 
Configurações
Três diferentes configurações, chamadas de alfa, beta e gama, são comumente usadas. Cada configuração possui o mesmo ciclo termodinâmico, mas diferentes características de projeto mecânico (BANCHA, 2002) (Tradução Nossa).
Na figura 7 e mostrados a configuração didática do motor Stirling tipo alfa.
Figura 7. Configuração Alfa, esquema didático.
Fonte: BANCHA, 2002. 
O desenho de tipo alfa possui dois pistões instalados em cilindros independentes, cujo movimento alternado faz o gás deslocar-se entre o espaço quente e o espaço frio.
Na figura 8 é mostrado o corte e detalhamento de um motor tipo Alfa.
	
	
Figura 8. Esquema CAD e foto de um motor Stirling tipo Alfa
Fonte: FITT, 2000. 
Os desenhos de deslocamento de tipo beta e gama utilizam por outro lado um deslocador mecânico isolante para empurrar o fluido de trabalho entre as partes quente e fria de um único cilindro.O deslocador é grande o suficiente para isolar as duas regiões a ao mesmo movimentar uma grande quantidade de gás, mas deixa uma folga suficiente para que o gás passe de um lado para o outro.
A configuração beta possui incorporada ao projeto um dissipador e um pistão de potência no mesmo cilindro. O dissipador de gás mistura as porções quente e fria do gás que estão localizadas nas áreas quente e fria do cilindro, enquanto o pistão de força recebe a expansão do gás gerando a força necessária para movimentar o eixo. O motor da patente original por Robert Stirling é da configuração beta.
Na figura 9 é mostrado o esquema didático do motor Stirling tipo beta.
Figura 9. Configuração Beta, esquema didático.
Fonte: BANCHA, 2002. 
A configuração gama utiliza cilindros separados para o deslocador e para o pistão de força. O gás da parte mais quente a cada ciclo passa para o cilindro do dissipador e este por sua vez executa a mistura dos gases dissipando o calor no cilindro. No outro ciclo o gás é empurrado para o cilindro do pistão de força onde recebe o calor pelas paredes do cilindro provocando a expansão do gás e consequentemente deslocando o pistão de força e atribuindo força ao eixo. Os cilindros são separados, porém o circuito e conectado pneumaticamente.
Na figura 10 é mostrado o esquema didático do motor Stirling tipo gama.
Figura 10. Configuração Gama, esquema didático.
Fonte: BANCHA, 2002. 
Motor Termo acústico
São dispositivos termo-acústicos que usam ondas de alta amplitude de som para bombear calor de um lugar para outro, ou, use uma diferença de calor para induzir ondas de alta amplitude de som. Em geral, os motores termo acústicos podem ser divididos em dispositivos de ondas estacionárias e ondas de propagação. Estes dois tipos de dispositivos se subdividindo em duas classes termodinâmicas:
Motor térmico: gera trabalho usando o calor 
Bomba de calor: cria ou move calor usando trabalho.
Na figura 11 é mostrado um dispositivo piloto acústico para geração de eletricidade da Aster Thermoakoestische Systemen. 
Figura 11. Dispositivo piloto acústico para geração de eletricidade
Fonte: http://www.aster-thermoacoustics.com/?cat=11
Na figura 12 é mostrado o mesmo dispositivo da figura 9 em corte e detalhamento para melhor entendimento.
Figura 12. Detalhamento do dispositivo piloto termo acústico
FONTE: http://www.aster-thermoacoustics.com/?cat=11
“[...] Observações da ocorrência natural do fenômeno termo acústica foram feitas pela primeira vez por volta de 150 anos atrás, quando se verificou que um tubo de vidro frio emitiria som após um pulso de ar quente ser promovido no interior do mesmo. Esse fato observado foi um exemplo de um sistema que converte calor em potência acústica. Por outro lado, pesquisas desenvolvidas nas duas últimas décadas têm mostrado ser possível realizar o processo inverso, ou seja, converter potência acústica de ondas sonoras em potência térmica útil.” (SARTORI).
“[...] um motor termo acústico converte calor de uma fonte de alta temperatura em energia acústica, rejeitando calor para um dissipador de baixa temperatura. Um refrigerador termo acústico faz o contrário, usando a energia acústica para bomba de calor de uma fonte fria para uma fonte quente. Estes dispositivos têm melhor desempenho quando empregam gases nobres como fluidos de trabalho termodinâmico. Ao contrário dos produtos químicos utilizados em refrigeração ao longo dos anos, esses gases são atóxicos e ambientalmente benignos. Outra característica atraente do termo acústico é que se pode facilmente flange um motor para uma geladeira, a criação de um resfriador de calor, sem peças móveis em tudo. Os motores termo acústicos operam no ciclo de Stirling. Nesses motores, diferentemente dos motores a explosão, não há qualquer processo de combustão envolvida, e o fluido de trabalho permanece constantemente confinado no interior da máquina. O calor inserido por ciclo no motor é transportado entre os reservatórios quente e frio por meio de ondas acústicas estacionárias se propagando através do fluido de trabalho.” (tradução nossa) (Garrett ,Steven. Et al. 2000)
Até agora, a maioria das máquinas dessa variedade reside em laboratórios. Mas protótipos de geladeiras termo acústicos têm operado no ônibus espacial e a bordo de um navio de guerra da Marinha.
CICLO STIRLING
O ciclo ideal de Stirling
Apesar do motor de Stirling não ser classificado como um motor de combustão interna, a construção e aplicação desse pode ser examinado nesse ponto, particularmente na comparação com um motor de combustão interna. O conceito elementar do motor de Stirling é um arranjo mecânico cilindro e pistão e uma fonte de calor que é externa ao cilindro. Na figura 13 é mostrado o gráfico do ciclo de Stirling.
Figura 13. Gráfico do ciclo de Stirling
Fonte: domínio publico
O ciclo de Stirling ideal contém:
Aquecimento a volume constante (1->2), 
Expansão isotérmica (2->3), 
Resfriamento isobárico (3->4) 
Compressão isotérmica (4->1). 
Na teoria o motor de Stirling é uma máquina térmica bastante eficiente. Alguns protótipos construídos nas décadas de 50 e 60 chegaram a índices de eficiência de 45%, superando e muito os motores a gasolina ou diesel que possuem uma eficiência média de 20% a 30%.
Na figura 14 e novamente explicado o ciclo Stirling usando o posicionamento do pistão de força e pistão deslocador.
Figura 14. Descrição do ciclo de Stirling
Fonte: domínio publico
1 → 2 - Compressão isotérmica. 
2 → 3 - Calor é transferido ao fluido de trabalho a volume constante. 
3 → 4 - Expansão isotérmica.
4 → 1 - Calor é rejeitado a volume constante.
O rendimento teórico é dado pela expressão abaixo:
EFICIÊNCIA DO MOTOR STIRLING 
A eficiência do ciclo Stirling depende muito da pressão de trabalho e principalmente das temperaturas. A pressão e a temperatura são fatores limitantes na construção do motor. De fato, a construção de um motor que trabalha com pressões internas elevadas e com trocadores de calor exige atenção à vedação e à resistência mecânica, assim como, utilização de materiais especiais o que encarece o motor. Devido a tudo isso se deve fazer uma análise econômica criteriosa levando-se em conta os custos iniciais e o tempo de retorno do investimento com a variação do rendimento. 
A eficiência teórica dos ciclos reversíveis é dada pela seguinte equação: 
Características gerais
	O texto abaixo foi extraído na integra do artigo: Desenvolvimento de um módulo combustor biomassa-motor Stirling aplicado a sistemas de geração isolada e baseados em gerador de indução
http://www.proceedings.scielo.br/scielo.php?pid=MSC0000000022004000100046&script=sci_arttext
Autoria: Humberto Wilke; Electo Eduardo Silva Lora.
Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI, Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica e Distribuída - NEST.
A possibilidade de utilização de vários tipos de combustíveis, (gás natural, óleo combustível, biomassa, diesel, gasolina, álcool, solar, entre outros), é um grande atrativo para o seu desenvolvimento como fonte alternativa de energia. Outras vantagens do ciclo Stirling são:
Operação silenciosa - não há combustão no seu interior;
Baixo desgaste interno, consumo de lubrificante e manutenção - o fluido de trabalho não entra em contato com o combustível. Evitando-se assim, a contaminação do mesmo;
Eficiência global em torno de 30% - o que pode tornar o motor Stirling competitivo com outras tecnologias;
Vida útil esperada em torno de 25000 h;
Possibilidade de operação em cogeração, neste caso a eficiência total, considerando a elétrica e térmica é em torno de 90%.
Diferentes arranjos físicos - os elementos essenciais em um motor Stirling são: dois cilindros, um para expansão e o outro para a compressão e três trocadores de calor. Estes, aparentemente componentes simples, podem ser dispostos de diversas maneiras possibilitando uma grande adequação ao espaço físico.
Como desvantagens podem ser citadas:
Necessidadede vedação perfeita - os motores Stirling necessitam de boa vedação das câmaras que contém o gás de trabalho para evitar a contaminação do gás de trabalho pelo lubrificante. O rendimento do motor é normalmente maior com altas pressões, conforme o gás de trabalho, porém quanto maior a pressão de trabalho, maior será a dificuldade de vedação do motor. Como exemplo pode-se citar o uso do hidrogênio, um gás cuja molécula é de reduzido tamanho em altas velocidades e pressão (20MPa) [Cordeiro, 2002 ];
Poucos combustíveis foram testados. Outros problemas podem aparecer quando combustíveis residuais forem utilizados. Entre os principais destacam-se: ferrugem, alcatrão e partículas, que podem reduzir a eficiência do trocador de calor [Lora, 2003];
Somente motores de pequeno porte foram testados.
Custo elevado, o motor Stirling é aproximadamente duas vezes mais caro se comparado a um motor a Diesel de mesma potência. O que encarece a fabricação é a produção de trocadores de calor ideais;
	O texto acima foi extraído na integra do artigo: Desenvolvimento de um módulo combustor biomassa-motor Stirling aplicado a sistemas de geração isolada e baseados em gerador de indução
http://www.proceedings.scielo.br/scielo.php?pid=MSC0000000022004000100046&script=sci_arttext
Autoria: Humberto Wilke; Electo Eduardo Silva Lora
Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI, Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica e Distribuída - NEST
Aplicaciones modernas
Energia Solar - Stirling
Embora o motor Stirling original tenha sido patenteado em 1816, os sistemas solares são um desenvolvimento 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, Um fluido de trabalho, tais como hidrogênio e aciona motor Stirling que por sua vez 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 transmissão elétrica. 
Este sistema possui inúmeras caraterísticas sendo: versatilidade, pouco ruído, pouca manutenção e principalmente por permitir que se vislumbre o uso de fontes alternativas e inesgotáveis, como a luz do sol, auxiliando na busca de formas de produção de energia útil de modo sustentável e sem agressão ao ambiente.
A possibilidade de estes motores trabalharem como pequenas plantas de cogeração, gerando potência elétrica e água aquecida, esta proveniente do sistema de refrigeração pode aumentar a sua eficiência. A eficiência dos motores Stirling, considerando a eficiência térmica e elétrica e de aproximadamente de 90%.
Didaticamente o Sistema de captação solar é mostrado na figura 15 e na figura 16 espelho concentrador de luz no motor Stirling. 
Figura 15. Esquema didático de captação de energia solar
Fonte: http://www.window.state.tx.us/specialrpt/energy/renewable/solar.php
Figura 16. Base de Concentradores solares com moto-gerador Stirling
Fonte: http://www.kockums.se/produkter-tjanster/
“[...] aplicações remotas para fornecer calor e eletricidade para pequenas regiões; e, aplicações industriais, para setores como alimentício, têxtil e químico, fornecendo energia limpa, sob a forma de vapor, calor ou eletricidade para substituir em parte ou totalmente os combustíveis fósseis consumidos atualmente. Em linhas gerais, os sistemas de concentração de energia solar usam o calor dos raios do sol para gerar eletricidade. Superfícies refletivas concentram os raios solares até 10.000 vezes para aquecer um receptor contendo um fluido trocador de calor. O fluido aquecido passa por diversos trocadores de calor, gerando vapor superaquecido, que será então usado para gerar eletricidade em uma turbina ou outra máquina térmica, como o motor Stirling (usado com discos parabólicos). Controles mecânicos permitem que os coletores se movam lentamente de forma a manter a radiação centralizada no receptor.” (BAPTISTA, 2006).
NASA - Stirling
A NASA tem incansavelmente, em seus centros de pesquisas, produzir futuros equipamentos para geração/conversão de energia para equipar seus veículos espaciais. Diversos equipamentos foram elaborados desde o inicio das pesquisas, porém nos últimos anos uma atenção maior também está voltada para os equipamentos como os motores Stirling. O objetivo de se usar está ligado aos seguintes fatores conforme descrito no artigo Network of Educator Astronaut Teachers(NEAT), Education Outreach Glenn Research Center Region, que são: 
Reduzir o uso de plutônio;
Sistema Stirling é 4 vezes mais eficiente do que outras opções;
Potência específica (W/kg) é maior do que outras opções;
A melhor opção para sondas de espaço profundo.
O ASC (Conversor avançado Stirling) é composto de um motor Stirling de pistão livre integrado com um alternador linear para produzir eletricidade. É feito sob medida para a saída térmica de uma fonte de calor em geral no módulo de propulsão. Fabricado pela SunPower até o momento já foram produzidas 5 versões de acordo com a evolução técnica das aeronaves. Na figura 17 é feito um comparativo com respeito ao tamanho de um ASC de 100 W em relação a uma lata de coca cola.
Figura 17. Conversor avançado Stirling da NASA: 110 W, 38 % de eficiência com radioisótopos (Plutônio 238) como fonte de calor. Tempo de operação: 14 anos
Fonte: NEST, 2006 (http://www.nest.unifei.edu.br/portugues/pags/novidades/projeto_stirling/projstirling_pt.html
Os motores Stirling também podem funcionar de modo inverso, em vez de dar energia calorífica de modo a criar uma diferença de temperaturas e energia de mecânica, pode se aplicar trabalho ao motor e desta forma este irá produzir a diferença de temperaturas (Crycooler). Suas aplicações estão na refrigeração como por exemplo nos frigoríficos, ou até na pesquisa pois permite atingir temperaturas muito baixas. A NASA conseguiu chegar a temperaturas abaixo dos 60 K (-213,2 ºC). Na figura 18 é mostrado o Cryocooler.
Figura 18. Crycooler da BeCOOLTM, equipamento sendo preparado por um engenheiro.
Fonte: http://www.sti.nasa.gov/tto/spinoff1998/hm7.htm
“[...] STC (Stirling Technology Company) tem sido capaz de produzir um refrigerador de alta capacidade da unidade linear, com características que atendam demandas comerciais. Tem uma vida superior a operação e demonstrou 30.000 horas sem manutenção. O produto será vendido inicialmente para laboratórios que necessitam de refrigeração criogênica e para aplicações médicas. O baixo nível de ruído do refrigerador permite sua operação em áreas de trabalho”. (Tradução Nossa) (SPINOFF, 1998).
Sistema AIP - Air Independent Propulsion (Propulsão independente do Ar)
Os submarinos de propulsão convencional (diesel-elétrica) têm que subir à superfície com regularidade para recarregarem as suas baterias através do recurso a geradores que consome diesel e ar. Cada minuto que passam à superfície torna-os susceptíveis a serem detectados por aviões de reconhecimento ou por navios de guerra, mesmo submersos em condição de periscópio os submarinos precisam lançar a superfície os tubos de snorkel, um dispositivo com origem na Segunda Guerra Mundial U-boats (submarinos alemães) para canalizar o ar até o submarino. Mesmo usando os tubos de snorkel o submarino transmite as vibrações do motor para a superfície da água e este por sua vez passa a ser detectável por qualquer sistema de radar moderno. Por isso, é importante que um navio deste tipo permaneça submerso a maior quantidade de tempo possível. Foi para resolver este problema que foram concebidos os sistemas AIP “Air Independent Propulsion” ou “Propulsão Independente do Ar”, cujo objetivo a geração de eletricidade mesmo quando o submarino está submerso, recarregando as baterias do navio, ou assegurando diretamente a propulsão e alimentando os sistemas bélicos e de manutenção de vida com energia elétrica.
Este sistema, AIP, permitiu aumentar a resistência ao fator de submerso dos submarinos convencionais de algunsdias para várias semanas capacidade antes apenas dos submarinos nucleares.
Inicialmente o sistema AIP com hidrogênio-oxigênio foi instalado nos submarinos alemães IKL-212/214 permitindo aos submarinos convencionais aos poucos se igualarem aos nucleares.
Por causa do sistema AIP, esses submarinos são silenciosos e considerados de difícil detecção. Os submarinos nucleares têm dificuldade de se livrar do ruído do sistema de refrigeração de seus reatores.
Além do fator autonomia algumas marinhas investem no sistema AIP para se livrar dos inconvenientes da propulsão e geração a diesel, mas mesmo assim para os submarinos convencionais não é possível ter um sistema completamente livre da propulsão a diesel somente com AIP, este sistema ainda não permite uma geração de potencia na propulsão superior ao motor a diesel-elétrico e além deste ainda o inconveniente de se transportar hidrogênio a alta pressão. 
Princípio de funcionamento
Sua função básica é a transformação do calor em força mecânica gerada externamente e depois em energia por meio de geradores. Depois de inúmeros testes-piloto realizado no Estaleiro Kockums (em Malmö) em 1980, permitiu que o teste final do sistema fosse montado em um dos submarinos Classe NÄCKEN. Foi montado um motor Stirling de 75 kW e seus respectivos tubos de oxigênio líquido em uma seção que foi adicionada ao submarino. Lançado em 1988 e testado operacionalmente pode cumprir integralmente os requisitos aplicáveis ​​à área de operações no mar Báltico. A partir deste momento o motor Stirling foi incorporado em novos equipamentos (Classe Gotland). (Tradução nossa) (http://www.elsnorkel.com/?option=com_content&task=view&id=303). Na figura 19 é mostrado o esquema simplificado do sistema AIP para submarinos.
Figura 19. Esquema simplificado do sistema AIP.
Fonte: http://www.elsnorkel.com/?option=com_content&task=view&id=303
Na figura 20 é mostrado o motor Stirling usado nos submarinos AIP
Figura 20. Sistema sueco de AIP com motor Stirling da Kockums.
Fonte: DEFESA BR
Outros dispositivos
Nas figuras que se seguem abaixo são mostrados alguns dispositivos que usam o principio do motor Stirling vendidos comercialmente inteiros ou em forma de kits didáticos. 
Figura 21. Bomba d'água Sunwell 50.
Fonte: www.sunmachine.de
Figura 22. Kit didático, Boehm Stirling HB14-AO4
Fonte: http://www.ministeam.com/acatalog/Bohm_Stirling_Engines_and_Kits.html
Figura 23. Motor Stirling usado na refrigeração de semicondutores em placas de computador
Fonte: http://www.tweaktown.com/news/9051/msi_employs_stirling_engine_theory/index.html
Considerações
Foi percebido durante o estudo que o motor Stirling vem ganhando uma atenção notável em boa parte da geração de energia se mostrando como uma fonte de alto rendimento no que em comparação com outros meios de conversão. 
É importante salientar a possibilidade do uso de diversas fontes de calor para operação de motores Stirling. Dentre estas fontes de calor, atualmente vem se destacando em pesquisas, por serem fontes renováveis de energia, o uso da energia solar e o uso de diversos tipos de biomassa como combustíveis e químicos. Também sendo alvo de utilizações no campo militar permitindo uma grande aplicação nos submarinos garantindo maior autonomia e redução de custo ambiental e operacional em relação aos motores de propulsão nuclear. 
No campo aeroespacial os contínuos estudos tem permitido uma crescente evolução tecnológica no campo mecânico e dos futuros combustíveis para os motores diminuindo consideravelmente o tamanho e peso dos veículos aeroespaciais.
REFERÊNCIAS
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