Motor Stirling APS

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UNIVERSIDADE PAULISTA SWIFT
ENGENHARIA MEÂNICA
	EM5Q12:
Angélica Luz, RA: B72837-0
Camila Sacramento, RA: B8605G-9
Felipe Silva de Freitas, RA: B65252-7
Thiago Marcelo Cruz, RA: B6506H-0
MOTOR DE STIRLING
	
CAMPINAS
2015
UNIVERSIDADE PAULISTA
EM5Q12:
Angélica Luz, RA: B72837-0
Camila Sacramento, RA: B8605G-9
Felipe Silva de Freitas, RA: B65252-7
Thiago Marcelo Cruz, RA: B6506H-0
MOTOR DE STIRLING
Projeto APS apresentado para avaliação do Curso de Engenharia Mecânica, Nível Superior, da Universidade Paulista, Swift, Campinas, SP.
CAMPINAS
2015
Dedicatória... Este Trabalho é dedicado aos próprios integrantes do grupo por terem se empenhado ao máximo para realiza-lo
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SUMÁRIO
81 INTRODUÇÃO	�
91 HISTORIA	�
102 O CICLO DE STIRLING	�
113 MOTOR DE STIRLING (ALFA)	�
114 MOTOR DE STIRLING (BETA)	�
115 MOTOR DE STIRLING (GAMA)	�
126 PROJETO	�
126.1 Funcionamento (Gama)	�
136.2 Objetivo	�
136.2.1 Materiais utilizados	�
146.2.2 Ferramentas	�
146.3 Descrição da construção do Motor	�
197 CONCLUSÃO	�
20REFERÊNCIAS	�
21APÊNDICE A – EXPECTATIVAS DO PROJETO	�
21APENDICE B – FICHA DAS ATIVIDADES SUPERVISIONADAS	�
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – “Digrama do ciclo de Stirling”
Figura 2 “Motor de Stirling –GAMA”
Figura 3 “ Da esquerda para a direita: cabeçotes, suporte do virabrequim e cilindro quente”
Figura 4 “ Cabeçotes e pistão de trabalho”
Figura 5 “ Virabrequim já instalado no suporte”
Figura 6 “Volante fixado no virabrequim”
Figura 7 “ Pistão deslocador”
Figura 8 “ Biela já fixada no Pistão deslocador e no virabrequim”
LISTA DE ABREVIAÇÕES
mm- Milímetro
ml – Miligrama
gr – Gramas
RESUMO
O motor pode ser considerado um dos maiores avanços da mecânica. Seja ele a vapor ou à combustão, os motores fornecem energia para a realização de trabalho, de maneira que podemos utilizá-los para nosso auxílio em diversas atividades. O primeiro grande passo para o desenvolvimento dos motores atuais foi a elaboração dos motores a vapor, cujo funcionamento é regido pelas leis da termodinâmica. Nesse trabalho expomos o processo de montagem de um motor “stirling” a vapor. Utilizando, em geral, materiais de fácil acesso, baratos ou recicláveis, montamos um modelo simplificado desse motor, nos atentando aos detalhes de montagem para que obtivéssemos bons resultados. A montagem é relativamente simples, mas os detalhes devem ser levados em conta para um funcionamento perfeito. No entanto, o motor não funcionou perfeitamente, chegando perto de atingir o objetivo. 
Palavras chave: térmica, motor, stirling, construção, termodinâmica, recicláveis. �
1 INTRODUÇÃO
Neste trabalho abordaremos o tema estudado por Robert Stirling a respeito do motor de combustão externa, auxiliado por seu irmão engenheiro, visavam substituir o motor a vapor, com o qual o motor Stirling tem grande semelhança estrutural e teórica. 
É referido também como “motor de ar quente”, por utilizar os gases atmosféricos como fluido de trabalho. Deste modo, o Ciclo de Stirling é muito parecido com o conhecido Ciclo de Carnot. 
O primeiro motor de Stirling foi construído em 1818 e, devido ao seu sucesso, continuaram a ser fabricados, incorporando muitas inovações, até o começo da década de vinte do século passado.
1 HISTORIA
O reverendo escocês, Robert Stirling, nascido em Gloag, Perth, em outubro de 1790 e falecido em Galston a 6 de junho de 1878, foi o inventor do hoje denominado Motor de Stirling. Auxiliado pelo seu irmão engenheiro, visavam substituir o motor a vapor, com o qual o motor Stirling tem grande semelhança estrutural e teórica. 
Em 1856, o engenheiro Sir Henry Bessener (1813-1898), durante a guerra da Criméia, desenvolveu e produziu um aço especial destinado à construção de canhões, revolucionando também a técnica e a fabricação de caldeiras de vapor. As caldeiras fabricadas com esse aço podiam operar com temperaturas muito mais elevadas e, portanto, com maiores pressões, sem o perigo de explodirem.
 A dinâmica simples e elegante do engenho de Stirling foi explicada em 1850 pelo professor McQuorne Rankine. Passados uns cem anos Rolf Meijer cunhou o termo “Motores de Stirling” para generalizar todos os tipos de engenhos regenerativos de circuito fechado a ar ou gás e com aquecimento externo. Entretanto, a invenção mais importante de Stirling talvez tenha sido o que ele chamou de “regenerador” ou “economizador” que é usado nos Motores de Stirling, e em várias outras aplicações, para aumentar a eficiência e também para economizar energia, muito antes de terem sido estabelecidas as leis da termodinâmica. Os Motores de Stirling são únicos, como “engenhos” térmicos, devido ao facto de a sua eficiência ser muito próxima da máxima teórica, conhecida como a "Eficiência do Ciclo de Carnot".
O motor Stirling teve um uso comum até os anos de 1920, quando os motores de combustão interna e os motores eléctricos o tornaram redundante. O motor Otto foi inventado em 1877 e o motor diesel em 1893, e estes apresentavam maior potência comparados com os motores Stirling da época. Além disso, os motores Stirling requeriam uma atenção especial na sua manufatura, que tinha uma tolerância mais estreita do que a requerida pelos motores de combustão interna. A combinação de um menor custo de manufatura e uma maior potência gerada pelos motores de combustão interna levaram ao desaparecimento comercial do motor Stirling.
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, foi possível o desenvolvimento de um motor mais barato e mais eficiente.
2 O CICLO DE STIRLING
 Diferentemente da máquina de Carnot, no ciclo de Stirling invés dos processos adiabáticos ligando os isotérmicos, existirão processos isovolumétricos, e por isso haverá necessidade de transferência de calor da fonte para a substância que realiza trabalho ou vice-versa nos processos DA e BC. 
Figura 1 – “Digrama do ciclo de Stirling”
Justamente por esse motivo, o rendimento do ciclo de Stirling quando comparado ao de Carnot vai ser menor. 
3 MOTOR DE STIRLING (ALFA)
O motor Stirling Alfa é constituído por dois cilindros e dois pistões, e são conectados por um tubo. Os cilindros podem ser denominados cilindro “quente” e cilindro “frio”. Ambos recebem este nome, pois o cilindro quente é continuamente aquecido, enquanto o cilindro frio é continuamente resfriado. Está presente no sistema uma fonte e um dissipador de calor.
 	Os pistões são responsáveis por realizar o trabalho de compressão e expansão. Os dois pistões fazem o gás fluir entre ambos os espaços, e os mesmos dois pistões geram potência de saída. Os pistões são ligados a um virabrequim (componente do motor para onde é transferida a força da explosão, transformando a expansão do gás em energia mecânica) ou a um sistema de alavancas, que determina o tempo necessário de desempenho para o ideal fluxo de gás. Embora possua a configuração mais simples, o motor Alfa apresenta a desvantagem de ambos os pistões necessitarem de vedação por conter gás de trabalho. Esses motores podem ser construídos em configurações compactas, com múltiplos cilindros e elevadas potências de saída.
4 MOTOR DE STIRLING (BETA)
O motor Stirling Beta possui um único cilindro e dois pistões de trabalho. O pistão que se encontra na parte inferior do cilindro é chamado de pistão de potência e se encaixa firmemente no cilindro, para que o gás possa ser comprimido. O pistão da parte superior é chamado de pistão deslocador, e ao contrário do pistão de potência se encaixa de forma frouxa no cilindro, de modo a permitir um quase vazamento do gás. Este pistão é responsável pela transferência do gás daparte fria para a parte quente do cilindro.
5 MOTOR DE STIRLING (GAMA)
O motor stirling Gama é composto por dois cilindros independentes no qual cada um possui um pistão, denominado pistão deslocador e de trabalho. O pistão deslocador é responsável por fazer o deslocamento do fluido de trabalho (ar ou gás) entre as extremidades quente e fria, suspenso por uma haste deslizante sobre buchas no centro do cilindro quente, é um pistão isolado do ambiente externo. O pistão de trabalho é responsável por realizar o trabalho do motor (compressão, expansão, descompressão e contração do fluido de trabalho), e este encontra-se separado do cilindro quente. Ele se encontra ao lado da estrutura principal.
6 PROJETO
6.1 Funcionamento (Gama)
O motor de Stirling funciona com duas câmaras que alternadamente esfriam e esquentam um gás, fazendo com que ocorra expansão e contração em ciclo. Isso faz dois êmbolos que estão ligados no mesmo eixo se movimentarem.
Figura 2 “Motor de Stirling –GAMA”
O ciclo termodinâmico consiste de quatro processos internamente reversíveis em série: uma expansão isotérmica, seguido de resfriamento a volume constante, uma compressão isotérmica e um aquecimento a volume constante.
No moto de Stirling Gama os pistões trabalham em um ângulo de 90 graus e são ligados a um único ponto no virabrequim. Possuem um pistão deslocador suspenso por uma haste dentro do cilindro quente e o pistão de trabalho é responsável pela absorção da pressão, transformando em movimento mecânico, além de fazer compressão e descompressão do ar.
Quando o êmbolo está na parte de cima do cilindro, a maior parte do gás está no compartimento frio. Quando o êmbolo desce causa o movimento do gás do compartimento frio através do circuito de troca de calor, chamado, o refrigerador, regenerador e aquecedor, e dentro do espaço quente. O efeito em rede do aquecimento de gás é o rápido desenvolvimento de uma alta pressão de gás no espaço de expansão. Por causa da tendência para igualar pressões por todo o volume de gás, uma alta pressão é exercida na face do pistão de energia.
Quando sobe o êmbolo faz com que a maior parte do gás se mova do espaço de expansão através do circuito de troca de calor e dentro do espaço frio. A maior porção de gás está agora a uma baixa temperatura e uma baixa pressão no espaço de compressão sobre a face do pistão de energia. O resfriamento e aquecimento que se alternam faz com que a pressão varie e ocorre uma transferência de trabalho para o pistão. 
6.2 Objetivo
Construir um pequeno motor Stirling que será alimentado a partir de um calor residual proveniente de uma fonte de baixa temperatura (vela), a energia mecânica gerada pelo motor deverá ser convertida em energia elétrica e alimentar um dispositivo de escolha aleatória. Para a elaboração dos cilindros deverão ser utilizadas latas de alumínio.
Para elaboração deste projeto escolhemos o motor Stirling modelo gama. Este modelo foi escolhido devido a sua praticidade e viabilidade, diante das condições previamente estabelecidas.
6.2.1 Materiais utilizados 
3 latas de alumínio com 350 ml e 68 mm de diâmetro
1 lata de alumínio com 473 ml e 68 mm de diâmetro 
2 latas de alumínio com 830 gr e 100 mm de diâmetro
1 tampa com 57 mm de diâmetro
1 tampa com 53 mm de diâmetro
1 tampa com 40 mm de diâmetro
4 raios de bicicleta com 2 mm de diâmetro
1 balão n° 9
1 câmara de motocicleta
1 rolinho de lã de aço
2 moedas
4 CDs
1 aparelho blue Ray
13 Conectores de fio de luz
1 mangueirinha plástica de 6 mm
Graxa, cola durepox, cola de silicone para altas temperaturas
6.2.2 Ferramentas
1 furadeira com brocas de 1.5mm, 2mm, 2.5 mm, 3mm, 4mm e 7mm
1 serrinha de cortar ferro
1 régua
1 caneta permanente
1 tesoura
1 estilete
Alicate, martelo
Chaves de fenda
Pregos
6.3 Descrição da construção do Motor
O motor é composto por dois cabeçotes feitos a partir de latas de alumínio com 68 mm de diâmetro sendo que um possui 60 mm de altura e o outro 50 mm, em ambos os cabeçotes foram feitos furos no centro de 2mm. No cabeçote de 60 mm foram feitos 4 furos de 7 mm, sendo dois na lateral e dois na base, nos mesmos passou-se a mangueirinha de 6 mm, e ainda foram feitos dois furos de 2.5 mm, no cabeçote de 50 mm foi feito um furo de 2.5 mm.
Com os cabeçotes finalizados, deu-se início a confecção do cilindro quente, que foi feito com duas latas de alumínio, sendo uma de 100 mm de diâmetro e a outro de 68 mm de diâmetro. Na lata de 100 mm foi feito um furo no centro com 69 mm de diâmetro e a mesma possui 45 mm de altura. A lata de 68 mm foi cortada a uma altura de 100 mm. A lata de 68 mm foi encaixada no centro da lata de 100 mm e vedada com cola de silicone de alta temperatura.
Com o cilindro quente pronto começou-se a fazer o pistão de trabalho, para isto foram necessário uma tampa de 53 mm de diâmetro, uma tampa de 40 mm de diâmetro, um balão número 9, um pedaço de raio de bicicleta de 2mm de diâmetro, duas tiras de câmara de motocicleta, sendo uma com 15 mm e a outra com 20 mm de espessura. Em ambas as tampas e no balão foram feitos furos no centro de 2 mm. Para montar o pistão coloca-se a tampa de 53 mm virada para baixo, então o balão é envolto nesta tampa, depois a tampa de 40 mm é posta virada para cima sobre a tampa envolta pelo balão. Neste ponto as tampas são presas uma a outra pelo raio de bicicleta, sendo que se utiliza a extremidade que possui rosca.
 Depois de pronto o pistão de trabalho, passa-se para a realização do cilindro de trabalho, que é feito com uma tampa de 57 mm de diâmetro e 30mm de altura, com um furo no centro de 3mm e dois furos na lateral de 7mm, por onde passa a mangueirinha de 6 mm, conectando assim o cilindro de trabalho aos cabeçotes, que por sua vez serão conectados ao cilindro quente. Agora passa-se a confeccionar o suporte do virabrequim, que é feito com uma lata de alumínio com 68 mm de diâmetro e 155 mm de altura, nesta lata é feito dois furos na lateral de 2 mm a uma altura de 125 mm, ainda na mesma lata é feito um furo de 20mm de diâmetro na lateral inferior e também e feito um furo oval ao centro da mesma, onde a dimensão do furo se dá ao visualizar a parte interior da lata totalmente.
Após ser feito o suporte do virabrequim é feito a haste virabrequim onde se utiliza um raio de bicicleta de 2mm de diâmetro, e a haste da biela que também é feito com raio de bicicleta de mesmo diâmetro.
O motor possui dois pistões ,sendo que o pistão de trabalho já está pronto confecciona-se o pistão deslocador, que é feito com uma lã de aço envolta em um raio de bicicleta de 2 mm com a largura de 35 mm. Com o pistão deslocador pronto ele é posto dentro do cilindro quente, onde são embutidos os dois cabeçotes um no outro, e depois os cabeçotes são encaixados no cilindro quente, que este pequeno sistema montado, faz se a base do motor com uma lata de alumínio de 100mm de diâmetro e pequenas aberturas nas laterais para a passagem de ar e no centro faz-se um furo de 69mm para o posicionamento do cilindro quente. 
O suporte do virabrequim é encaixado sobre os cabeçotes, ainda no suporte coloca-se o virabrequim, o volante do motor é fixado em uma das extremidades do virabrequim e é construído com 4 CDs, e na outra é feito a ligação entre o virabrequim e o pistão de trabalho, com um raio de bicicleta de 2mm de diâmetro e comprimento de 120mm. 
Com todas as partes do motor prontas e os devidos encaixes realizados o motor está pronto.
Figura 3 “ Da esquerda para a direita: cabeçotes, suporte do virabrequim e cilindro quente”
Figura 4 “ Cabeçotes e pistão de trabalho”
Figura 5 “ Virabrequim já instalado no suporte”
Figura 6 “Volante fixado no virabrequim”
	
Figura 7 “ Pistão deslocador”
 Figura 8 “ Biela já fixada no Pistão deslocador e no virabrequim”
7 CONCLUSÃO
A construção para o desenvolvimento teórico do nosso projeto teve como princípio os assuntos abordados, tais como: mecânica e sua aplicaçãona sociedade, termodinâmica, máquinas térmicas e seu princípio de funcionamento e principalmente do motor Stirling e todas as suas características.
Com base nos estudos desse projeto concluímos que o motor Stirling é uma alternativa de geração de energia, sendo ela gerada de forma sustentável e sem degradar o meio ambiente. O estudo feito durante esse projeto nos mostrou um equipamento extremamente eficiente e baixo custo.
Os resultados adquiridos com a fabricação desse projeto nos permitiram entender o processo de funcionamento de uma máquina térmica, os princípios da termodinâmica e principalmente a eficiência na geração de energia de um equipamento térmico.
REFERÊNCIAS
COMO FUNCIONA TUDO. Princípio de funcionamento e fontes de combustível alternativo. Disponível em: <http://ciencia.hsw.uol.com.br/motores-stirling.htm>. Acesso em: 14 mar. 2013.
HISTORIA DO MOTOR STIRLING. Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_Stirling>. Acesso em: 05 fev. 2013.
MOTORES STIRLING. Disponível em: <http://w.fem.unicamp.br/~em313/paginas/stirling/stirling.htm>. Acesso em: 30 mar. 2013.
MOTOR STIRLING BRASIL. Espaço brasileiro para compartilhar informações sobre esse motor fenomenal. Disponível em: <http://stirlingbrasil.blogspot.com.br>. Acesso em: 18 mar. 2013.
PRINCIPIOS DE DESEMPENHO e funcionamento das máquinas térmicas. Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_t%C3%A9rmica>. Acesso em: 16 abr. 2013.
WIKIPEDIA. Termodinâmica. Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Termodin%C3%A2mica>. Acesso em: 16 abr. 2013.
YOUTUBE. Funcionamento do motor stirling. Disponível em: < https://www.youtube.com/watch?v=itZDyNGpZVs>. Acesso em: 20 fev. 2013.
APÊNDICE A – EXPECTATIVAS DO PROJETO
Nosso objetivo na construção do motor era fazer com que uma fonte de calor externa reagisse com a fonte de resfriamento interna e gerasse um ciclo de pressão movimentando os pistões, assim gerando energia mecânica para enfim transforma-la em energia elétrica utilizando um gerador portátil. 
Como todo projeto esperasse que por ter planejado e elaborado o mesmo, logo quando se finaliza ele já esteja pronto para utilização, funcionando.
Mas também como todo projeto, pode surgir erros inesperados e falhas na própria produção, causando assim um atraso e até mesmo tendo que ser realizado um replanejamento.
Por fim após todos os testes o motor fabricado teve seu devido funcionamento, somente tendo problemas no centro do volante que é fixado no virabrequim, por tanto a colocação de um gerador para conversão de energia foi impossibilitada devido a este erro.
APENDICE B – FICHA DAS ATIVIDADES SUPERVISIONADAS
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