Como funcionam os motores Stirling

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Como funcionam os motores Stirling
O motor Stirling é um motor térmico muito diferente do motor de combustão interna do seu carro. Inventado por Robert Stirling em 1816, o motor Stirling é mais eficiente do que um motor diesel ou a gasolina. Mas hoje, os motores Stirling são usados somente em alguns casos específicos, como em submarinos ou geradores de energia auxiliares para iates, onde o funcionamento silencioso é importante. Apesar do motor Stirling não ter tido grande sucesso comercial, alguns inventores de grande talento estão trabalhando nele.
Um motor Stirling usa o ciclo Stirling, diferente dos ciclos usados nos motores de combustão interna.
Os gases usados no interior de um motor Stirling nunca saem do motor. Não existem válvulas de escape que liberem gases a alta pressão, como em um motor a gasolina ou diesel e não ocorrem explosões em seu interior. Devido a isso, os motores Stirling são muito silenciosos.
O ciclo Stirling usa uma fonte de calor, que pode ser gasolina, energia solar ou até o calor produzido por plantas em decomposição. Não ocorre nenhuma combustão no interior dos cilindros do motor.
Há muitas maneiras de se construir um motor Stirling. Neste artigo, vamos aprender sobre o ciclo Stirling e ver como funcionam duas configurações diferentes deste motor.
O ciclo Stirling
O princípio fundamental de um motor Stirling é que uma quantidade fixa de gás é encerrada no interior do motor. O ciclo Stirling envolve uma série de eventos que alteram a pressão do gás no interior do motor, fazendo com que ele funcione.
Há diversas propriedades dos gases que são essenciais para o funcionamento dos motores Stirling:
Se você tiver uma quantidade fixa de gás em um volume fixo de espaço e a temperatura desse gás aumentar, a pressão também irá aumentar;
se você tiver uma quantidade fixa de gás e comprimi-lo (diminuir o volume de seu espaço), a temperatura desse gás irá aumentar.
Vamos analisar cada parte do ciclo Stirling enquanto conhecemos um motor Stirling simplificado. O motor simplificado usa dois cilindros. Um cilindro é aquecido por uma fonte de calor externa (como uma fogueira) e o outro é resfriada por uma fonte externa de resfriamento (como gelo). As câmaras de gás dos dois cilindros são conectadas e os pistões são conectados um ao outro mecanicamente por uma articulação que determina como eles se movimentarão entre si.
Há quatro partes no ciclo Stirling. Os dois pistões na animação acima passam por todas as partes do ciclo:
calor é adicionado ao gás no interior do cilindro aquecido (à esquerda), causando a elevação da pressão. Isso força o pistão a se mover para baixo. Essa é a parte do ciclo Stirling que realiza trabalho;
o pistão esquerdo se move para cima enquanto o pistão direito se move para baixo. Isso empurra o gás aquecido para o cilindro resfriado, o que resfria rapidamente o gás para a temperatura igual a  da fonte de resfriamento, baixando  também sua pressão. Isso facilita comprimir o gás na próxima parte do ciclo;
o pistão no cilindro resfriado (direito) começa a comprimir o gás. O calor gerado por essa compressão é removido pela fonte de resfriamento;
o pistão direito se move para cima enquanto o pistão esquerdo se move para baixo. Isso força o gás para o interior do cilindro aquecido, onde se aquece rapidamente, aumentando a pressão, ponto no qual o ciclo se repete.
O motor Stirling somente gera potência durante a primeira parte do ciclo. Há duas maneiras principais de aumentar a geração de potência.
Aumentar a geração de potência no estágio 1 - na parte 1 do ciclo, a pressão do gás aquecido empurrando o pistão realiza trabalho. Aumentar a temperatura durante essa parte do ciclo aumentará a geração de potência do motor. Uma maneira de aumentar a pressão é por meio do aumento da temperatura do gás. Quando dermos uma olhada em um motor Stirling mais adiante, veremos como um dispositivo chamado regenerador pode melhorar a geração de potência do motor ao armazenar calor temporariamente.
Diminuir o consumo de potência no estágio 3 - na parte 3 do ciclo, os pistões realizam trabalho sobre o gás, consumindo uma parte da potência produzida na parte 1. Baixar a pressão durante esta parte do ciclo pode diminuir a potência consumida durante esse estágio do ciclo, aumentando efetivamente a geração de potência do motor. Um modo de diminuir a pressão é resfriar o gás para uma temperatura mais baixa.
Esta seção descreveu o motor Stirling ideal. Os motores reais trabalham variando o ciclo levemente por causa das limitações de seu projeto. Nas próximas seções, vamos conhecer alguns tipos diferentes de motores Stirling. O motor tipo deslocador é provavelmente o mais fácil de se entender, assim, começaremos com ele.
Por que os motores Stirling não são mais comuns?
Há algumas características fundamentais que tornam os motores Stirling pouco práticos para uso em diversas aplicações, incluindo a maioria dos carros e caminhões.
A fonte de calor é externa, fazendo com que o motor demore um pouco a responder a mudanças na quantidade de calor que é aplicado ao cilindro: o calor demora para ser conduzido através das paredes do cilindro e para o interior do motor. Isso significa que:
o motor requer algum tempo para se aquecer antes que possa produzir potência útil
o motor não pode mudar sua geração de potência rapidamente.
Esses empecilhos praticamente asseguram que ele não substituirá os motores de combustão interna dos carros. No entanto, um carro híbrido movido a motor Stirling poderia ser viável.
Para mais informações sobre motores Stirling e assuntos relacionados, verifique os links na próxima página.
http://ciencia.hsw.uol.com.br/motores-stirling5.htm
CICLO DE STIRLING
O motor Stirling é um motor de combustão externa, aperfeiçoado pelo pastor escocês Robert Stirling em 1816, auxiliado pelo seu irmão engenheiro. Eles visavam a substituição do motor a vapor, com o qual o motor stirling tem grande semelhança estrutural e teórica. 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. Sensibilizados com a dor das famílias dos operários mortos em acidentes, os irmãos Stirling buscaram conceber um mecanismo mais seguro. É referido também como "motor de ar quente", por utilizar os gases atmosféricos como fluido de trabalho.
    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).
    A seguir tem-se um diagrama pV característico do ciclo de Stirling.
    O motor Stirling ganha dos demais na simplicidade, 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.
    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%. Dentre asa vantagens desse tipo de motor são desde que ele é pouco poluente, já que a combustão é contínua e não intermitente, o que permite a queima completa e eficiente do combustível. Basta gerar uma diferença de temperatura significativa entre a câmara quente e a fria para produzir trabalho. Porém como desvantagens temos a dificuldade de dar partida no motor e a irregularidade na velocidade do motor.
http://www.if.ufrgs.br/~dschulz/web/ciclo_stirling.htm
http://manualdomotorstirling.blogspot.com.br/2015/06/conceito-teorico-do-motor-stirling-para_8.html
MOTORES STIRLING
Ciclo de Stirling
Aumentos significantes na eficiência térmica de usinas de turbinas a gás podem ser realizados atravésde ¨intercooling¨, reaquecimento e regeneração. Existe um limite econômico para o número de estágios que podem ser construídos e normalmente não podem ser mais de dois ou três.
Um ciclo que usa um regenerador é o ciclo de Stirling, mostrados nos diagramas P-v e T-s. O ciclo consiste de quatro processos internamente reversíveis em série: compressão isotérmica do estado 1 para 2 a uma temperatura Tc, aquecimento a volume constante do estado 2 para 3, expansão isotérmica do estado 3 para 4 a uma temperatura TH, e resfriamento a volume constante do estado 4 para 1 para completar o ciclo. Um regenerador cuja eficiência é de 100% permite que o calor rejeitado durante o processo
4-1 ser usado como a entrada de calor no processo 2-3. Concordantemente, todo o calor adicionado externamente ao fluído atuante tomaria lugar no processo isotérmico 3-4 e todo calor rejeitado para o meio ocorreria no processo isotérmico 1-2. Daí pode ser concluído que a eficiência térmica do ciclo de Stirling é fornecido pela mesma expressão da eficiência térmica do ciclo de Carnot. 
Prova: Para um processo a uma temperatura constante de um gás ideal:
Q = W = pV ln(V2/V1)
A eficiência térmica do ciclo de Stirling é 
t = (Qs - Qr) / Qs = [p1V1 ln (V2/V1) - p3V3 ln (V3/V4)]/ p1V1 ln (V2/V1) 
= [mRT1 ln (V2/V1) - mRT3 ln (V3/V4)]/ mRT1 ln (V2/V1)
Mas
V2 = V3 e V1 = V4 
Assim V2/V1 = V3/V4 e 
t = ( T1 - T3) / T1 = ( TH - TL) / TH = 1- TL/TH 
O ciclo de Stirling, assim como o de Ericsson , são principalmente de interesse teórico de ciclos que possuem a mesma eficiência térmica do ciclo de Carnot. Entretanto, um motor prático do tipo cilindro-pistão que opera em um ciclo regenerativo fechado possuindo aspectos em comum com o ciclo de Stirling vem sendo estudado recentemente. Este motor é conhecido como Motor Stirling. O motor Stirling oferece a oportunidade de uma alta eficiência além de uma emissão reduzida de poluentes, porque a combustão atua externamente e não dentro do cilindro como acontece nos motores de combustão interna. No motor Stirling, energia é transferida para o fluído atuante por produtos da combustão, os quais são mantidos separados. Isso é um motor de combustão externa.
Motor Stirling
Apesar do motor de Stirling não ser classificado como um motor de combustão interna, a construção e aplicação desse motor pode ser logicamente 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. No geral, o motor é mais complexo que o convencional motor S-I ou C-I.
Robert Stirling desenvolveu o motor original em 1816. Um vasto número desses motores foram construídos e demonstrados obtendo-se uma boa performance com uma pequena quantidade de energia de saída. Eventualmente, outros tipos de motores substituíram o motor de Stirling. Entretanto, em alguns lugares do mundo, o uso limitado do motor continuou, primariamente para bombear água. Recentemente, o interesse pelo motor de Stirling ressurgiu, e o trabalho de desenvolvimento, conduzido principalmente na Europa é direcionado para a eliminação das dificuldades de operação que restringem o uso extensivo do motor.
O ciclo teórico do ciclo de Stirling é mostrado nos diagramas P-v e T-s. Todo o calor obtido de uma fonte externa é fornecido isotermicamente à temperatura TH. Calor é rejeitado isotermicamente à temperatura TL para um recipiente ou depósito. Os dois processos de volume constante, 2-3 e 4-1, são realizados por transferência interna de calor, Q2-3 = - Q4-1. Essa transferência interna de calor é particularmente significante porque a transferência externa de calor é efetuada unicamente nos dois processos isotérmicos nas temperaturas altas e baixas do ciclo. A eficiência teórica do ciclo de Stirling é consequentemente igual a eficiência térmica do ciclo de Carnot para valores de temperaturas TH e TL.
Na comparação com um motor de combustão interna, o atual motor de Stirling é consideravelmente mais complexo. Uma simples máquina cilindro-pistão não pode ser construída, primariamente por causa da prescrita transferência de calor regenerativa e das dificuldades encontradas na tentativa de adquirir compressão isotérmica e expansão do fluído atuante.
O modelo original de Stirling foi baseado no conceito da utilização de um simples cilindro equipado com dois pistões. Uma versão moderna deste modelo é mostrada abaixo. Dois pistões, um êmbolo e um pistão de energia, operam por um virabrequim. Usualmente, o êmbolo guia o pistão de energia por 90°. O sistema fechado é carregado com gás permanente, usualmente hidrogênio ou hélio. Hidrogênio, entretanto, é considerado o fluido de trabalho mais estável para o motor de Stirling. Uma câmara de combustão localizada no topo do cilindro, abastece o aquecimento indireto do gás. Gás em alta pressão, na ordem de 100 a 200 atm, são observadas no motor de Stirling.
O volume total de gás incluso varia com o movimento do pistão de energia. O êmbolo divide o volume incluso em duas regiões principais, o espaço de expansão e o espaço de compressão, que são mantidos em diferentes temperaturas. O movimento do êmbolo muda a proporção de gás nos dois espaços ao mesmo tempo que mantém a mesma pressão do gás nas faces opostas do êmbolo. Porque o êmbolo opera com pressões virtualmente balanceadas, é adequada uma construção de uma fina concha de aço. Compressão e expansão do volume total de gás são efetuados pelo movimento do pistão de energia.
Quando o êmbolo está na posição mais alta do cilindro, a maioria do gás está no espaço frio. O movimento de descida do êmbolo causa o movimento do gás do espaço 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.
O movimento de subida do 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 alternados do gás produz uma variação na pressão atuante na face do pistão de energia, e consequentemente uma transferência em rede de trabalho para o pistão é efetuada.
Muitos tipos de combustível podem ser queimados na câmara de combustão externa do motor de Stirling. Em particular, uma gasolina de alta octanagem não é necessária. Um combustível aceitável, entretanto, deve seguir as determinações para baixa emissão de poluentes, combustão com mínima dificuldade, e responder prontamente ao sistema de controle do motor. Um combustível líquido derivado do carvão é uma possibilidade. A qualidade deste combustível não precisa ser tão grande quanto a da gasolina, um fator que contribui na redução do custo de produção do combustível.
A maioria do calor rejeitado do motor de Stirling é transferida através do refrigerador para a atmosfera, com a menor quantidade de calor rejeitado na exaustão de gases que são descarregados da câmara de combustão. O radiador para o motor de Stirling deve ser mais ou menos 2.5 vezes maior que o radiador necessário para um motor de combustão interna da mesma potência de saída.
O motor de Stirling opera silenciosamente com baixa emissão de poluentes. A eficiência térmica, entre 0.35 e 0.40, está no limite realizado pelo motor C-I de alta economia e superior a eficiência relatada para o motor S-I. O valor da eficiência térmica que excede 0,4 é previsto para os menores motores de Stirling ainda em desenvolvimento.
Altos custos de produção, os quais resultam principalmente da complexidade do virabrequim e dos elementos de troca de calor juntos, tendem a restringir o amplo uso do motor de Stirling. A necessidadepara a construção de um sistema de gás compacto apresenta um problema adicional de manufatura. As aplicações do motor de Stirling são limitadas por causa da alta razão massa /potência.
Os motores de Stirling construídos para aplicações como propulsão de veículos e geração de energia elétrica são semelhantes a queima de óleo Diesel. Motores de baixa capacidade de potência foram desenvolvidas para fontes de potência de corações artificiais e equipamentos de operação instalados em naves espaciais. Para essas duas aplicações, em particular, um combustível radioisótopo fornece a fonte de energia primaria de longa duração necessária para o motor de Stirling. Pequenos motores de Stirling com energia solar são uma possibilidade.
A construção prática do motor de Stirling é dependente de movimento recíprocos. Dois diferentes arranjos básicos de máquina foram construídos para conseguir o mesmo ciclo termodinâmico. O mais recente arranjo, creditado a Robert Stirling, utiliza dois pistões movendo-se em um único cilindro como é mostrado na figura. Um arranjo mecânico alternativo, inventado por A. K. Rider em 1876, envolve dois cilindros, equipados com um pistão, como é mostrado na figura. Calor é fornecido por uma fonte externa no cilindro quente e removido no cilindro frio por transferência para o meio. Duas manivelas são usadas, com o pistão de energia quente guiando o pistão de potência frio por 90°. Esses dois pistões mutuamente provocam compressão e expansão alternadas do fluído atuante e deslocamento do fluído através do regenerador, de um cilindro para o outro. Muitos dos motores primários foram construídos de acordo com os princípios de operação estipulados por Rider, apesar de que mais frequentemente, através dos anos, a construção do motor seguiram o modelo de êmbolo desenvolvido por Stirling em 1816. 
A operação do motor atual de Stirling provém significantemente da sequência de eventos previstos pelo ciclo teórico de Stirling. Os diferentes eventos, compressão e expansão e aquecimento e resfriamento, mostram sobreposição no tempo, consequentemente o cartão indicador para o motor atual não vai duplicar o diagrama P-v mostrado anteriormente. O diagrama de trabalho atual é chamado de ciclo de Schmidt, após o primeiro investigador a fornecer uma descrição matemática do motor. Análise matemática é complexa e fornece apenas uma previsão aproximada da potência de saída do motor atual de Stirling. 
Bibliografia
1. Energy Conversion Systems. Sorensen, Harry A.
2. Thermodynamics for Engineers. Doolittle e Hale.
3. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. Moran e Shapiro
4. Mechanical Engineering Thermodynamics. Mooney, D.A.
http://www.fem.unicamp.br/~em313/paginas/stirling/stirling.htm
Teoria 
Os motores Stirling são conhecidos também como motores de combustão externa. Estes dispositivos funcionam de acordo com o ciclo Stirling, utilizando geralmente como fluidos de trabalho o hélio, hidrogênio ou nitrogênio. A figura a seguir representa o funcionamento do ciclo Stirling, com suas diversas fases sem considerar as perdas (ciclo ideal).
O ciclo termodinâmico Stirling permite a construção de motores que podem funcionar a partir de qualquer fonte de calor. As pesquisas são recentes em todas as partes do mundo, como os protótipos desenvolvidos pela Phillips. 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.
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 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 		Eq. 1
onde R é a constante dos gases.
Ou seja, todo ciclo termodinâmico envolve transformações com a variação de uma destas três grandezas fundamentais dos gases, que podem ser relacionadas de acordo com a equação. A configuração “alfa” do Motor Stirling é de certa forma, a mais fácil de ser entendida e por isto é a utilizada nesse projeto No projeto proposto, o ar aquecido empurra o deslocador para cima, fazendo o virabrequim dar meia-volta. Com a defasagem no virabrequim, no momento em que está na posição inicial a bexiga está um pouco esticada. Ao subir e atingir o ponto mais alto de seu movimento, o virabrequim faz com que a bexiga seja empurrada para baixo, fazendo ar frio entrar na base do recipiente de pressão. Isto esfria o gás dentro do recipiente e com isso há a compressão isotérmica. Para um processo a uma temperatura constante de um gás ideal:
Q = W = pV ln(V2/V1) 		Eq. 2
A eficiência térmica (Ef) do ciclo de Stirling é: 
Ef = (Qs - Qr) / Qs = [p1V1 ln (V2/V1) - p3V3 ln (V3/V4)]/ p1V1 ln (V2/V1)	 Eq. 3
Ef = [mRT1 ln (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 Ef = (T1 - T3) / T1 = (TH - TL) / TH 		Eq. 6
Ef = 1- TL/TH 		Eq. 7
http://www.ifi.unicamp.br/~lunazzi/F530_F590_F690_F809_F895/F809/F809_sem1_2008/RenatoP-Llagostera_RF2.pdf