Projeto Motor Stirling Finalizado

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CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA
MOTOR DE STIRLING 
 Belo Horizonte Junho de 2017
CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA
PROJETO DE MOTOR STIRLING 
Trabalho de pesquisa apresentado ao curso de Engenharia Mecânica da Faculdade Newton Paiva como requisito avaliativo da disciplina de Projeto Aplicado 4– Prof. Aloísio Ribeiro Alves
Alex Pacelli de Paula – 11220130
Fernando Santana Silva – 11412409
Gabriel Pinheiro Guimarães - 11513495
Mauricio Rodrigues Maia – 11514238
Paulo Henrique da Silva Passos - 11521721
Paulo Roberto dos Santos Júnior - 11411126
Belo Horizonte Junho de 2017
RESUMO 
O motor Stirling até hoje ainda é pouco conhecido, o mesmo foi desenvolvido pelo engenheiro escocês Robert Sterling no ano de 1 816, 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. No decorrer deste trabalho será realizado um estudo sobre a situação energética mundial, mostrando assim a real necessidade de se buscar tecnologias que possam ser fontes de energia alternativa. Diante da temática do uso da energia vinda de fontes alternativas, é mostrado a aplicabilidade dos motores Stirling, seu funcionamento e ciclo de trabalho. Utilizando os conhecimentos pesquisados, foi projetado um novo motor, demonstrando assim seu funcionamento. 
Sumário
5INTRODUÇÃO	�
6OBJETIVO	�
6JUSTIFICATIVA	�
7DESENVOLVIMENTO	�
8CRONOGRAMA 5W1H	�
9LISTA DE MATERIAS	�
10CROQUI	�
11FUNDAMENTAÇÃO TEORICA	�
13DESCRIÇÃO TÉCNICA	�
14Princípio de Funcionamento	�
16Conclusão	�
17REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS	�
�
INTRODUÇÃO
O projeto, tem a finalidade de aumentar o acesso à energia renovável, gerando com isso um maior bem-estar e desenvolvimento. Com a necessidade eminente de redução da emissão de poluentes, a chamada energia renovável tem se destacado como uma nova tendência na geração de eletricidade, recebendo muita atenção por meio de estudos, pesquisas e investimentos desde o final do século XX. O uso de motores Stirling vem despertando o interesse novamente, principalmente devido à sua característica de motor de combustão externa, sendo possível utilizar diferentes combustíveis, pois se necessita apenas de uma fonte quente, independentemente do tipo de combustível, sendo possível inclusive o uso de energia solar como fonte de calor. Problemas relacionados com a dificuldade na fabricação de motores Stirling e com as tecnologias e materiais existentes na época, levaram ao desaparecimento comercial e desinteresse pela tecnologia, no início do século XX os motores de combustão interna e os motores elétricos eram fabricados com um menor custo e eram mais potentes. Com a nova tendência de geração de energia por meio de combustíveis alternativos o interesse pelo uso de motores Stirling vem ganhando destaque novamente. Além disso, o desenvolvimento da engenharia de matérias, e dos diversos processos de fabricação vem aprimorando e tornando viável cada vez mais os motores Stirling.
OBJETIVO
O objetivo desse trabalho é o desenvolvimento de um protótipo de motor Stirling, utilizando agua em estado gasoso como fluido de trabalho.Primeiramente serão obtidas as dimensões dos componentes do motor através do teorema de Schmidt, utilizando como dados de entrada os parâmetros de funcionamento normalmente utilizados em motores Stirling.
E será verificado a relação entre os parâmetros construtivos e de funcionamento do motor, estas relações são confrontadas com os dados experimentais obtidos.
JUSTIFICATIVA
	Constantemente há uma busca por uma alternativa capaz de diminuir a utilização de combustíveis fosseis e utilizar combustíveis alternativos reduzindo assim a emissão de poluentes. E isto nos motivou a retomar e desenvolver um motor stirling, pois este tipo de motor necessita apenas de uma fonte de calor, independentemente do tipo de combustível para seu funcionamento. 
DESENVOLVIMENTO
O princípio do Motor Stirling é completamente diferente dos motores de combustão interna comuns. 
Motor Stirling é um motor térmico, que trabalha a partir da energia 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).
PV = nRT............onde R é a constante dos gases.
	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 a primeira.
CRONOGRAMA 5W1H
	 O QUE?
	 POR QUÊ?
	 QUEM? 
	 COMO?
	 QUANDO?
	 ONDE?
	Discussão sobre qual será o tema do trabalho 
	
	Alex, Paulo R, Paulo H, Fernando, Gabriel, Mauricio
	Tema escolhido através de votação
	
	Centro universitário Newton Paiva 
	Reunião do grupo para discutir o tema escolhido
	
	Alex, Paulo Roberto, Paulo Henrique, Fernando, Gabriel, Mauricio
	Expor o tema e discutir as ideias para iniciação do projeto
	
	Centro universitário Newton Paiva
	Pesquisa sobre a introdução do projeto
	
	Paulo R., Paulo H, Gabriel
	Através da internet
	
	Residência dos integrantes do grupo
	Discutir a introdução e justificativa
	
	Paulo R., Paulo H, Gabriel
	
	
	Centro universitário Newton Paiva 
	Discussão sobre que materiais usar 
	
	Fernando, Mauricio e Alex
	Discutir sobre qual material seria interessante usar 
	
	Centro universitário Newton Paiva 
	Aquisição de materiais
	
	Fernando e Alex
	
	
	Comercio Local
	Iniciação da montagem do projeto
	
	Alex, Paulo R, Paulo H, Fernando, Gabriel, Mauricio
	Montagem do equipamento, utilizar 
	
	Residência do Fernando
	Teste do projeto
	
	Fernando, Mauricio e Alex
	
	
	Residência do Fernando
	Conclusão da parte escrita 
	
	Paulo R., Paulo H., Gabriel
	Através da internet 
	
	
	Finalização do projeto 
	
	Alex, Paulo R, Paulo H, Fernando, Gabriel, Mauricio
	Fazer os últimos testes
	
	Residência do Fernando
	Apresentação 
	
	Alex, Paulo R, Paulo H, Fernando, Gabriel, Mauricio
	Expor o projeto para a banca e explicar seu funcionamento
	
	Centro universitário Newton Paiva 
LISTA DE MATERIAS
	 Matérias 
	 Quantidades 
	 Especificações 
	Massa Automotiva
	2 Latas
	250g
	Motor de Impressora
	1
	
	Nylon
	1
	24mm
	Cano PVC
	1
	100 mm de comprimento, 24 mm interno
	Lata de Spray
	1
	
	Raio de Bicicleta
	1
	1,5cm
	Tubos de fio de solda3
	Solda Eletrônica
	Eletrodo
	1
	Normal de ferro
	Rolamento
	1
	
	Durepox
	1
	
	Bombril
	1
	24,9mm de Altura para ser o piston
	Lata de Refrigerante
	2
	Segurar o Bombril
	Tubo de Ferro
	3
	20 mm de comprimento
Fluxo de 8mm
	Bomba de aquário
	1
	
	Mangueira
	1
	160mm
	Ferros chatos
	3
	3mmx150mm
	Ferros Chatos 
	3
	Dobrado em “C”
	Limitador de Vidro
	1
	
CROQUI
FUNDAMENTAÇÃO TEORICA
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:
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.
Beta: Este foi o tipo de motor projetado por Robert Stirling. É constituído por um cilindro dividido em duas zonas, um 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.
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.
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.
DESCRIÇÃO TÉCNICA
Compressão Isotérmica: Neste processo, ambos os pistões (compressão e expansão) se movem para cima, realizando trabalho de compressão sobre o fluido de trabalho, enquanto calor é rejeitado para o sistema de resfriamento, mantendo a temperatura constante; 
 Aquecimento a volume constante: O pistão de compressão vai até o ponto morto superior, enquanto o pistão de expansão se movimenta para baixo. Com isso o fluido de trabalho passa para o espaço de expansão, sendo aquecido pela fonte externa aumentando a pressão; 
 Expansão Isotérmica: Neste processo, ambos os pistões (compressão e expansão) se movem para baixo, expandindo o fluido de trabalho e realizando trabalho. Este processo é realizado a temperatura constante, sendo que durante a expansão, o gás de trabalho recebe calor da fonte externa; 
 Rejeição de calor a volume constante: O pistão de compressão se movimenta até o ponto morto inferior, enquanto o pistão de expansão se movimenta para cima. Com isso, o fluido de trabalho passa para o espaço de compressão, tendo calor rejeitado pelo sistema de resfriamento, reduzindo a sua pressão até a condição 1. O ciclo termodinâmico descrito do motor Alfa pode ser visto na Figura.
Princípio de Funcionamento
O princípio do Motor Stirling é completamente diferente dos motores de combustão interna comuns. Motor Stirling é um motor térmico, que trabalha a partir da energia proveniente do aquecimento e resfriamento de um fluido. A quantidade de calor latente (Q) é igual ao produto da massa do corpo (m) e de uma constante de proporcionalidade (L).
A constante de proporcionalidade é chamada calor latente de mudança de fase e se refere a quantidade de calor que 1 g da substância calculada necessita para mudar de uma fase para outra.
Além de depender da natureza da substância, este valor numérico depende de cada mudança de estado físico.
Para a água:
	Calor latente de fusão
	
	80cal/g
	Calor latente de vaporização
	
	540cal/g
	Calor latente de solidificação
	
	-80cal/g
	Calor latente de condensação
	
	-540cal/g
 Curva de aquecimento
Toda a energia térmica passa de um corpo ao outro.
A soma de todas as energias térmicas é nula, ou seja:
ΣQ=0
Lê-se que somatório de todas as quantidades de calor é igual a zero
Sendo que as quantidades de calor podem ser tanto sensível como latente.
Capacidade térmica
É a quantidade de calor que um corpo necessita receber ou ceder para que sua temperatura varie uma unidade.
Então, pode-se expressar esta relação por:
Sua unidade usual é cal/°C.
 
A capacidade térmica de 1g de água é de 1cal/°C já que seu calor específico é 1cal/g.°C.
Condutividade térmica de materiais a 27 °C (300 K)
	Material
	Condutividade térmica (Κ)
	Metais
	[Κ] = W·m-1·K-1 (J·s-1·m-1·K-1)
	Alumínio
	237[4]
	Cobre
	401[4]
	Ferro
	 80,2[4]
	Outros materiais
	[Κ] = W·m-1·K-1 (J·s-1·m-1·K-1)
	Polipropileno
	  0,25[7]
	Água
	  0,61
	Ar
	  0,03
Conclusão
 Após o término do experimento, a conclusão que podemos tirar é que apesar de todos os cuidados tomados durante a construção do Motor, este ainda não funcionou e o motivo pelo qual isso aconteceu ainda não foi descoberto. Imagino que possa ser algo com relação ao pistão. Pois ao acender a chama, o ar embaixo do pistão deveria aquecer e empurrar o deslocador para cima, dando assim início ao ciclo de Carnot e consequentemente ao seu funcionamento. Como isso não acontece, suponho que o problema esteja nessa parte.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
https://pt.slideshare.net/cassiusflesch/motor-stirling-15359627 Acesso em Acesso em 11 Abril. 2017..
https://motorstirling.wordpress.com/fundamentacao-teorica-2/Acesso em Acesso em 11 Abril. 2017..
https://motorstirling.wordpress.com/fundamentacao-teorica-2/Acesso em Acesso em 11 Abril. 2017..
http://manualdomotorstirling.blogspot.com.brAcesso em Acesso em 11 Abril. 2017..
https://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_StirlingAcesso em Acesso em 11 Abril. 2017..
http://www.if.ufrgs.br/~dschulz/web/ciclo_stirling.htmAcesso em Acesso em 11 Abril. 2017..
http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/indexe.htmAcesso em Acesso em 11 Abril. 2017..