Atividades Práticas Supervisionadas

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UNIP - UNIVERSIDADE PAULISTA – CAMPUS: 
Curso de ENGENHARIA BÁSICO: 5º Semestre
Atividades Práticas Supervisionadas
Motor Stirling
Limeira
2017
SUMÁRIO
1	Objetivo	3
1.1	Objetivo específico	3
2	Introdução ao Motor Stirling:	4
3	Descrição do Motor Aplicada ao Ciclo Stirling:	6
3.1	Vantagens	6
3.2	Desvantagens	6
3.3	O ciclo Stirling	7
3.4	Cálculos e Expressões do Ciclo Stirling	8
4	Desenvolvimento Motor Gama:	10
4.1	Montagem	11
4.2	Materiais e Orçamento	12
5	Conclusão:	13
6	Referências Bibliográficas:	14
Objetivo
Desenvolver em conjunto com os membros do grupo um modelo de “Motor Stirling” onde é permitido transferir a energia em modo de calor para energia mecânica, obtendo o energia em forma de movimento.
1.1 Objetivo específico
Utilizar a maior quantidade de materiais reaproveitados para o desenvolvimento do Motor, para com isso reduzir gastos e contribuir com o meio ambiente.
Introdução ao Motor Stirling: 
O desenvolvimento crescente no método de aprimorar processos da origem a produtos cada vez mais facilitadores desses, o motor stirling surgiu da necessidade de buscar melhorias de eficiência e maior segurança na geração de “trabalho mecânico” proporcionada pelos motores e maquinas térmicas. As maquinas a vapor no início do século XIX apresentavam altos riscos de operação devido as elevadas pressões exercidas nas caldeiras que se rompiam em função de precária tecnologia metalúrgica causando acidentes e desgastes energéticos indesejáveis.
Em 1816 Robert Stirling e seu irmão James stirling, desenvolvem o motor stirling com a intenção de criar uma máquina térmica não dependente de vasos de pressão ou caldeiras que oferecem riscos de operação ao trabalhar com elevadas pressões, buscava-se a ideia básica de converter qualquer diferença de temperatura disponível em trabalho e movimento. O protótipo patenteado por robert também conhecido como o “Economizador de Robert stirling”, devido a simplicidade em sua fabricação, a segurança, o funcionamento silencioso, limpo, e principalmente a utilização de qualquer combustível o tornaram muito popular na época, as primeiras versões eram de baixa potência 100 watts a 4 quilowatts.
O motor stirling proporcionou um diferencial em relação aos motores de combustão interna, são semelhantes por trabalharem com processos de transferência de calor, gera potência e energia mecânica a partir do calor, mas a obtenção de calor no stirling é externamente o classificando como um motor de combustão externa, essa diferença em se ter uma combustão externa cria um vasto interesse por este tipo de equipamento. Os motores de combustão interna queimam combustível dentro dos cilindros ou câmaras, são limitados a poucas variações de combustíveis, o que já não acontece com o motor stirling que praticamente funciona com qualquer tipo de combustível, fontes de calor solar, derivados do petróleo, biomassa, calor proveniente do corpo humano, energia nuclear, e infinitos recursos que processados ou queimados gerem calor.
O motor stirling utiliza gases atmosféricos como fluidos que “trabalham” nas diferenças de temperaturas entre as câmaras que o compõem, expandem e comprimem, sofrem resfriamento e aquecimento alternadamente. Diferente dos motores de combustão interna esses fluidos não saem em forma de resíduos gasosos eles são utilizados em um ciclo fechado de trabalho.
O aprimoramento do motor stirling com o passar dos anos, através de variações de seus modelos mecânicos, mostram superioridade em eficiência maior que os motores tradicionais de combustão interna, alguns desses modelos chegam a registrar índices de 45% de rendimento, o motor do carro popular a gasolina tem índices bem menores inferiores a 30%. 
Máquina térmica consideravelmente eficiente, esse motor segue um princípio fundamental de funcionamento, o gás em seu interior geralmente ar, hidrogênio ou hélio, é aquecido por uma fonte externa de calor, que eleva a pressão e empurrara o pistão gerando deslocamento através de um sistema mecânico de movimento. Ao atingir a câmara fria, a massa de gás é resfriada assim diminuindo a pressão exercida no mecanismo que retorna a posição inicial, o ciclo se repete com frequência fazendo o motor funcionar em processos de ciclos onde não há ignição, explosão ou carburação.
Descrição do Motor Aplicada ao Ciclo Stirling: 
Três variações do motor são mais conhecidas como também utilizadas, os modelos alfa, beta e gama. Antes de desenvolver o protótipo uma análise das vantagens e desvantagens das características gerais da “maquina stirling” e do ciclo termodinâmico que rege seu funcionamento vai permitir uma construção focada em otimizar e obter a máxima eficácia no desenvolvimento do projeto para posteriormente se ter a eficiência desejada. 
1.2 Vantagens
O calor sendo fornecido por fonte externa permite o controle maior da mistura ar-combustível;
É um processo continuo de combustão, a emissão do residual combustível não queimado é reduzido, menor emissão de poluente.
Opera com valores baixos de pressão comparados a outros motores oferecendo menores riscos operacionais.
É relativamente menos complexo facilitando sua manutenção.
Partida fácil, não tem sistema de ignição, apresenta baixas vibrações, tem maior eficácia do que os de combustão interna em climas frios.
1.3 Desvantagens
A razão peso-potência é elevada;
A potência fornecida é constante, dificilmente variada o que o torna inviável para projetos como automóveis.
Partida apesar de ser fácil é demorada comparada aos motores elétricos e de combustão interna;
A contenção do fluido de trabalho que não pode “vazar”, exige ótima vedação e um controle rígido para mantê-lo.
1.4 O ciclo Stirling
A termodinâmica fornece os princípios e descrevem os fenômenos físicos que ocorrem dentro do motor stirling e consequentemente no protótipo. As variações térmicas e volumétricas do fluido de trabalho é descrita pelo ciclo stirling na imagem 1;
Segundo Martini (2004) o ciclo Stirling é definido como uma sequência de processos de compressão e expansão isotérmicas de um gás, com seu aquecimento e resfriamento a volume constante. O ciclo Stirling pode ser descrito por dois processos isotérmicos e dois processos isocóricos. Este ciclo pode ser usado tanto para produzir trabalho mecânico a partir de energia térmica, quanto para transferência de calor a partir de energia mecânica. 
O processo 1-2 consiste em uma compressão isotérmica na região de baixa temperatura na câmara fria;
2-3 é o processo de transferência de calor a volume constante;
3-4 expansão isotérmica, o gás expande a temperatura constante;
4-1 Troca o calor com a fonte fria, acontece a queda de pressão com volume constante.
Esta é uma demonstração do ciclo ideal, logo as transferências de calor ocorrem somente nos processos isotérmicos e consequentemente o rendimento deste ciclo é igual ao rendimento do ciclo de Carnot que opera entre as mesmas temperaturas. Mas esta igualdade ideal com o ciclo de Carnot não ocorre na realidade já que existem muitos processos irreversíveis, atritos viscosos e mecânicos do fluido de trabalho e dos componentes, além de trocas de calores indesejadas. 
As três configurações mais difundidas do motor stirling são mostradas abaixo (Imagem 2), seguem o mesmo ciclo termodinâmico mas possuem características de projeto mecânico diferente.
1.5 Cálculos e Expressões do Ciclo Stirling
O motor stirling utiliza energia da expansão e contração de determinado gás (como fluido de trabalho), aplicando a lei dos gases ideais que relacionam as propriedades de pressão (P), temperatura (T), volume (V) e número de mols:
PV = nRT (Eq.1), R é a constante dos gases;
Para processo em temperatura constante de um gás ideal;
 Q = W = pV ln (V2/V1) (Eq. 2)
A eficiência térmica (Et) do ciclo stirling é dada como:
Et = (Qs – Qr) / Qs = [p1 V1 Ln (V2/V1) – p3 V3 ln (V3/V4)]/ p1 V1 ln(V2/V1) (Eq. 3)
Et = [m R T1ln(V2/V1) – mRT3 ln(V3/V4)]/ mRT1 ln(V2/V1) (Eq.4)
Mas
 V2 = V3 e V1 = V4 (Eq. 5)
Assim V2/V1 = V3/V4 e
 Et = ( T1 – T3) / T1 = ( Th – Tl ) / Th (Eq. 6)
 Et = 1 – Tl/ Th ( Eq. 7)
Desenvolvimento Motor Gama: 
O protótipo segue a configuração Gama, apesar da configuração alfa apresentar maior facilidade didática, optamos pela versão de projeto mecânico gama que tem um perfil de construção compatível com os materiais recicláveis e de fácil acesso que utilizamos para fabricar o motor com um custo bem reduzido e que consiga gerar uma potência considerável, logo se dará maior ênfase na configuração gama.
No motor stirling gama e consequentemente no protótipo, seus pistões trabalham em um ângulo de 90 graus e são ligados a um ponto em comum no virabrequim. O pistão deslocador fica suspenso por uma haste internamente no cilindro quente e o pistão de trabalho absorve a pressão transformando em movimento mecânico, também realiza compressão e descompressão do ar. O esboço base para o início do projeto é demonstrado abaixo (Imagem 3):
No interior da base de sustentação é o local da queima da fonte energética que fara o deslocador movimentar e acionar o sistema mecânico, as retas em preto negrito(extensões dos pistões) perpendiculares ao virabrequim transmitirão o movimento, o gás ao expandir fara o deslocador subir e atingir o nível do cotovelo, nível este que contem ao redor do “topo do recipiente de pressão” agua como fluido de resfriamento da câmara fria, enquanto simultaneamente a bexiga será comprimida pela rotação do virabrequim (enquanto a reta da esquerda sobe a da direita desce) e faz a troca de calor entre o gás quente e o frio em baixa pressão. O ciclo de movimentação descrito é repetido constantemente acionando e oferecendo potência rotativa ao CD(disco) do protótipo. 
1.6 Montagem 
Conhecendo os componentes a serem produzidos, especifica-se o tamanho e dimensões das peças em conformidade com os materiais recicláveis que serão citados na etapa “Materiais e orçamento”. 
Os cabeçotes e o cilindro quente são fabricados com três latas de refrigerante cortadas e adequadas para posterior acoplamento, uma lata de cerveja de 473 mililitros de mesmo diâmetro que as latas menores do cabeçote e cilindro quente é dimensionada para ser o suporte do virabrequim. 2 moedas de dez centavos são as “buchas de suporte para o virabrequim”.
Já o forno que ficara acima da base de sustentação e o sistema de resfriamento é produzido com duas latas de pêssego de 100 milímetros de diâmetro. Utilizasse a tampa de uma lata de spray de cabelo de 63 milímetros para o cilindro do pistão de trabalho e outra tampa de spray óleo aerossol de 57 milímetros de diâmetro para fazer a tampa externa do pistão de trabalho.
O lacre interno do pistão de trabalho é uma tampa de amaciante de 40 milímetros de diâmetro, este pistão é conectado ao balão (bexiga representada no esboço) e cortasse duas tiras de câmara de motocicleta para afixa-lo. Raios de bicicleta de 2 a 2,5 milímetros finos de inox são dobrados e modelados para formar o virabrequim e as extensões de pistões. Um pedaço de mangueira de plástico faz a ligação entre os dois cilindros. O curso do pistão “deslocador” de 36 milímetros o qual será interligado diretamente a câmara quente é dimensionado e acoplado ao sistema.
 Após a junção das peças e suas respectivas ligações e acoplamentos, o sistema e as câmaras deste são bem vedadas e fixadas com cola silicone de alta temperatura e lubrificadas com graxa, o protótipo nas especificações finais está ilustrado na imagem 4:
1.7 Materiais e Orçamento
3 latas de refrigerante de 350 mililitros, uma lata de cerveja de 473 mililitros, 2 latas de pêssego de 830 gramas, 1 tampa de spray de cabelo, 1 tampa spray aerossol óleo, 1 tampa de amaciante, 1 balão número 10, 1 câmara de motocicleta, 1 rolo de lã de aço “Bombril”, 3 raios de bicicleta de 2 milímetros, 1 raio de bicicleta de 2,5 milímetros, duas moedas de dez centavos, 4 CDs, 1 pedaço de mangueira de plástico, graxa e cola de alta temperatura.
Furadeira, chaves de fenda, Philips, alicate de ponta, martelo, paquímetro, pregos, estilete e tesoura, para dimensionar, fabricar e acoplar as peças.
Materiais de fácil acesso e reaproveitáveis que estimam um gasto total de 42 reais e cinquenta centavos. Com investimento bem modesto é possível desenvolver um protótipo eficaz e que apresenta considerável potência de trabalho, pois a maioria do material utilizado neste projeto encontra-se em descartes.
Conclusão:
Após o término do experimento, chegamos a conclusão que o modelo stirling desenvolvido pelo grupo, apresenta suas reais funções definidas em nossos objetivos. O modelo teve a capacidade de ser desenvolvido e funcionar da maneira correta. 
Em resenha, notamos que a aplicação desta tecnologia, hoje em dia dada como antiga, aplica-se corretamente para determinados sistemas, sofrendo somente com pequenas substituições, em relação à sua primeira versão. 
Do mesmo modo é válida a importância recordar, a facilidade para encontrarmos os materiais utilizados, que nos deixa previne a sempre recordarmos dos materiais recicláveis em futuros projetos, pois além de reduzirem os gastos com o matéria prima, nos agregou maior sustentáveis.
Contudo, nos satisfizemos com o resultado obtido e esperamos utilizar futuramente esta tecnologia novamente.
 
Referências Bibliográficas:
Van Wylen, G.J.; Sonntag, R.E.; Borgnakke, C. Fundamentos da Termodinâmica. Edgard Blücher, 2003;
WALKER, G. Stirling engines. U.K., Oxford: Clarendon Press, 1980. ISBN-0-19-856209-8;
WALPITA, S. H. Development of the solar receiver for a small Stirling engine. Bangkok. Asian Institute of Technology, In: special study project report n°.ET – 83 – 1983;
ÇINAR, C.; KARABULUT, H. Manufacturing and testing of a gamma type Stirling engine. Renewable Energy, 30, 2005. p. 57 – 66;
Haywood, D. An Introduction to Stirling-Cycle Machines Stirling-Cycle Research Group, University of Canterbury;
Barros, R.W.; Avaliação Teórica e Experimental do Motor Stirling Modelo Solo 161 Operando com Diferentes Combustíveis Dissertação de mestrado Universidade Federal de Itajubá, 2005.
Manual do Motor Stirling. Lista de materiais usados para um motor gama, com latas de alumínio. 01 Jun. 2013. Disponível em: < http://manualdomotorstirling.blogspot.com.br/2013/06/lista-dos-materiais-usados-para-um.html >. Acesso em: 01 Maio 2017.
DIY Stirling engine. How to make DIY Stirling engines plans, heat engine cycle basics and many homemade examples. 2017. Disponível em <http://diystirlingengine.com/> acessado em: 28 Abr. 2017.
Stirling Engines and Plans. 1999-2005. Disponível em <http://www.boydhouse.com/stirling/index.html>. Acessado em: 15 Maio 2017
Model. Moteurs Stirling et autres passion [201?]. Disponível em <http://www.moteur-stirling.com/modeluk.htm>. Acessado em: 09 Abr. 2017.
APÊNDICES
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