Ciclo Stirling e Erecsson

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Ciclo Stirling e Ericsson
Modelagem e Aplicação
Ciclo Stirling
O motor Stirling é um motor de combustão externa, aperfeiçoado pelo pastor escocês Robert Stirling em 1816; 
Seu objetivo era a substituição do motor a vapor, o qual era muito semelhante ao Stirling;
 No início do século XIX, as máquinas a vapor explodiam com muita frequência, em função da precária tecnologia metalúrgica das caldeiras, que se rompiam quando submetidas à alta pressão. 
Ciclo Stirling é referido também como "motor de ar quente", por utilizar os gases atmosféricos como fluido de trabalho.
STIRLING
Esse ciclo termodinâmico consiste de quatro processos internamente reversíveis em série: consiste em uma expansão isotérmica (processo AB), seguido de resfriamento a volume constante (processo BC), uma compressão isotérmica (processo CD) e um aquecimento a volume constante (processo DA).
STIRLING
 O motor Stirling é mais simples, pois consiste apenas de duas câmaras que proporcionam temperaturas diferentes para o resfriamento alternado de um determinado gás. Esse resfriamento alternado provoca uma expansão e contração cíclicas que movimentam os êmbolos ligados a um eixo comum.
STIRLING
Os motores de Stirling apresentam uma eficiência muito alta se comparados com os motores de combustão interna (como aqueles que movem os carros a gasolina), atingindo até 45% de eficiência energética, muito além dos 20% a 30% atingidos por outros tipos de motores, como os motores movidos a óleo diesel ou gasolina.
A eficiência dos motores de Stirling pode ser calculada da mesma maneira que ocorre no ciclo de Carnot:
Sendo:
R: Rendimento do motor;
Tf: Temperatura da câmara de temperatura mais baixa (em Kelvin);
Tq: Temperatura da câmera de temperatura mais elevada (em Kelvin).
STIRLING
Tipo Beta
O motor Stirling Beta é constituído por um único cilindro, de dois pistões em linha, onde o pistão interno faz o deslocamento do fluído de trabalho "ar ou gás" entre as duas câmaras "quente e fria".
O segundo pistão, conhecido como pistão de trabalho, mantém suspenso o pistão deslocador, visivelmente aparente e responsável pelo trabalho do motor. Além de auxiliar no confinamento do fluído de trabalho no interior do motor.
STIRLING
STIRLING
Tipo Gama
É constituído por dois cilindros independentes, onde o pistão quente faz o deslocamento do fluído de trabalho (ar ou gás) entre a extremidade "quente e fria", suspenso por uma haste deslizantes sobre buchas, pelo centro do cilindro quente e este pistão é totalmente escondido pelo o cilindro quente.
O segundo pistão, conhecido como pistão de trabalho, encontra-se separado do cilindro quente, diferentemente do motor Beta. Esse é responsável pelo trabalho do motor (compressão, expansão, descompressão e contração do fluído de trabalho).
STIRLING
STIRLING
Enquanto houve diferença de temperatura entre os cilindros, o motor funcionará.
Tipo Alfa
STIRLING
O motor do tipo modelo Alfa, é constituído por dois cilindros independentes, onde o pistão quente é responsável pela produção do movimento mecânico decorrente da pressão e vácuo interno do motor. O pistão quente é totalmente visível pelo lado de fora, pela extremidade onde a biela é fixa, diferentemente do Gama e Beta.
O pistão frio é o responsável pela compressão e descompressão do fluído de trabalho no motor.
Este primeiro modelo, possui dois cilindros em paralelo.
Funcionamento do Motor e Processos com base no tipo Alfa
STIRLING
1. Compressão isotérmica (temperatura constante)
O pistão frio se move para cima até um ponto intermediário (Ci), comprimindo o gás de trabalho, e o calor produzido pela compressão é simultaneamente removido.
STIRLING
2. Aquecimento isovolumétrico (volume constante) 
O pistão do lado frio continua se movendo para cima, do ponto intermediário (Ci) até Cmax enquanto o pistão quente desce até o ponto intermediário (Hi) o que faz com que o gás atravesse o regenerador. Passando pelo regenerador o gás sofre um acréscimo de temperatura, pois o regenerador esta numa temperatura maior do que Tc. Com o volume constante este acréscimo na temperatura causa um aumento da pressão.
STIRLING
3. Expansão isotérmica
O gás é aquecido através de uma fonte de calor externa de temperatura (Th) e se expande. A expansão impulsiona o pistão quente até a posição inferior (Hmin).
STIRLING
4. Resfriamento isovolumétrico
O pistão quente retorna até a posição superior (Hmax) enquanto, simultaneamente, o pistão frio desce (Cmin) quando o gás passa novamente através do regenerador entregando calor que será usado novamente na fase dois. Esta transformação é a volume constante o que causa uma queda de pressão do gás. Esta fase completa o ciclo.
STIRLING
Aplicações do ciclo Stirling
 Ao pensarmos onde o motor Stirling é usado, não nos vem nada a cabeça. Isso é porque este tipo de motor não é muito conhecido mas devido ás suas características a utilização deste tipo de motores pode se verificar muito eficiente como são os exemplos:
STIRLING
Produção de energia
Este pode ser o uso mais conhecido e mais prático para este tipo de motor. Tanto utilizando fontes de energia fosseis como energias renováveis, o uso deste motor é vantajoso devido ao rendimento superior e à possibilidade poder utilizar a luz do sol para aquecer não sendo necessários processos intermédios.
Parabólicas solares 
com  Motores Stirling
STIRLING
Locomoção
TEDOM Stirling Motor
STIRLING
Este motor também já foi utilizado em meios de transporte, aumentando ligeiramente o rendimento, mas porque este motor produzia pouco torque e demorava algum tempo a arrancar e por isso a investigação neste campo foi abandonada.
Refrigeradores (cryocooler)
Os motores stirling podem funcionar de modo inverso, ou seja 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. Pode então ter aplicações na refrigeração como por exemplo nos frigoríficos, ou até na investigação pois permite atingir temperaturas muito baixas. A NASA conseguiu chegar a temperaturas abaixo dos 60k.
Cryocooler
STIRLING
Uso marino
Os motores stirling também já foram usados nos submarinos maioritariamente devido ao seu funcionamento silencioso e sem vibrações (algo de vantajoso nos submarinos) e aumenta o tempo que podem passar debaixo de água de uns dias para algumas semanas, algo apenas possível antes pelos submarinos nucleares. Também são usados como  geradores de electricidade em iates.
KOCKUMS – Submarino 
movido a Motor Stirling
STIRLING
Ciclo Ericsson
ERICSSON
 O ciclo da Ericsson foi projetado pelo inventor John Ericsson, que projetou e construiu vários motores de ar quente baseados em diferentes ciclos termodinâmicos. Ele é considerado o autor de dois ciclos para motores térmicos de combustão externa e construtor de motor real com base nos ciclos mencionados.
 Seu primeiro ciclo foi muito semelhante ao atualmente chamado ciclo de Brayton (que é o que as turbinas a gás seguem), mas com combustão externa.
Processos no Ciclo Ericsson
Compressão isotérmica: O espaço de compressão está inter-resfriado para que o gás seja comprimido isotermicamente. O ar comprimido flui para um tanque de armazenamento a pressão constante. 
Adição de calor isobárica: Do tanque, o ar comprimido flui através de um regenerador e ganha calor a uma alta pressão no caminho para um cilindro de energia aquecido.
Expansão isotérmica: O cilindro de energia é aquecido externamente, e o gás expande isotermicamente.
Remoção de calor isobárica: Antes de o ar ser liberado, ele passa novamente pelo regenerador, que resfria o ar a uma baixa pressão e é aquecido para o próximo ciclo.
ERICSSON
Funcionamento 
Um fluido de trabalho gasoso frio entra no cilindro através de uma válvula na parte superior direita. O ar é comprimido pelo pistão (preto) quando este se move para cima. 
Oar comprimido é armazenado no tanque pneumático (esquerda). Uma válvula de duas vias (cinza) se move para baixo para permitir a passagem do ar pressurizado através do regenerador, onde ele é pré-aquecido. O ar entra então no espaço abaixo do pistão, que é aquecido externamente. 
O ar expande e realiza trabalho sobre o pistão quando este se move para cima. Depois da expansão, a válvula de duas vias se move para cima, fechando o tanque e abrindo a porta de escape. Enquanto o pistão se move novamente para baixo, ar quente é empurrado de volta através do regenerador, recuperando a maior parte do calor antes de sair da porta de escape (esquerda) como ar frio.
ERICSSON
ERICSSON
Neste processo, toda a adição de calor ocorre quando o fluido de trabalho estiver na temperatura mais alta e toda remoção de calor ocorre quando ela estiver mais baixa, aumentando a eficiência do ciclo.
Equação
ERICSSON
Sabendo que o ciclo é reversível e opera em sistema fechado, temos. Na compressão isotérmica:
Na expansão isotérmica:
Eficiência
ERICSSON
A eficiência térmica do Ciclo Ericsson é a mesma de qualquer ciclo que opere adicionando calor a temperatura alta e liberando a temperatura baixa.
Aplicações
ERICSSON
Uso em motores de combustão externa;
Concentradores solares;
Reaproveitamento da energia do escape;
Energia geotérmica.
Referências Bibliográficas
http://motor-stirling-solar.blogspot.com/p/historia.html
http://manualdomotorstirling.blogspot.com/2013/12/os-tipos-de-motores-stirling-e-suas.html
https://www.if.ufrgs.br/~dschulz/web/ciclo_stirling.htm
http://mtrstirling.blogspot.com/2016/10/calculo-do-rendimento-do-motor-stirling.html
https://prezi.com/df8l2dccwb0p/ciclo-ericsson/?webgl=0#
https://pt.slideshare.net/SrgioCostaFaria/ciclo-termodinmico-stirling