MOTOR STIRLING_APS-38A8

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UNIVERSIDADE PAULISTA DE SOROCABA- UNIP 
 ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
 
 
 
 
ANTONIO FABRICIO DOS SANTOS- RA: B7367B0 
ANTONIO FRANCISCO DE E. A. M. RIBES- RA: T974CI0 
JOSELITO TOMÉ FREITAS- RA: C754935 
JULIA CAPELLARI- RA: D753ID6 
MARLON DOS SANTOS- RA: A994874 
VINICIUS PEDROSO DA SILVA- RA: N2778E7 
 
 
 
 
 
ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA: 
MOTOR STIRLING 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SOROCABA/SP 
2021 
 
ANTONIO FABRICIO DOS SANTOS- RA: B7367B0 
ANTONIO FRANCISCO DE E. A. M. RIBES- RA: T974CI0 
JOSELITO TOMÉ FREITAS- RA: C754935 
JULIA CAPELLARI- RA: D753ID6 
MARLON DOS SANTOS- RA: A994874 
VINICIUS PEDROSO DA SILVA- RA: N2778E7 
 
 
 
 
 
ATIVIDADE PRATICA SUPERVISIONADA: 
MOTOR STILING 
 
 
 
 
 
Trabalho de conclusão do 7ºsemestre 
do ciclo engenharia básico apresentado 
a Universidade Paulista de Sorocaba, 
como exigência parcial para obtenção 
do título de engenheiro mecânico, sob 
orientação Me.Renato Balarini Ferreira. 
 
 
 
 
 
 
 
 
SOROCABA/SP 
2021 
 
 
SUMÁRIO 
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................ 4 
2 OBJETIVOS ................................................................................................ 5 
2.1 Objetivo geral ........................................................................................ 5 
2.1.1 Objetivo especifico .......................................................................... 5 
3 Contexto Histórico ....................................................................................... 5 
4 BIOGRAFIA ROBERT STIRLING ............................................................... 6 
5 MOTOR STIRLING ..................................................................................... 7 
6 CICLOS DOS MOTORES STIRLING.......................................................... 8 
7 Vantagens e desvantagens do motor Stirling .............................................. 9 
7.1 Vantagens dos motores Stirling: ........................................................... 9 
7.1.1 Desvantagens dos motores Stirling: ............................................... 9 
8 TIPOS DE MOTORES ................................................................................ 9 
8.1 Motor stirling tipo alfa .......................................................................... 10 
8.1.1 Motor stirling tipo beta .................................................................. 12 
8.1.2 Motor stirling tipo gama ................................................................ 12 
9 PROJETO DO MOTOR ............................................................................. 13 
10 LISTA DE MATERIAIS ........................................................................... 20 
11 CONCLUSÃO ......................................................................................... 21 
12 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFIA ............................................................ 22 
 
 
 
 
 
 
4 
 
 
1 INTRODUÇÃO 
 
Com a grande demanda energética nos dias de hoje e com a chegada da 
indústria 4.0, temos a necessidade de fontes de geração de energia que tenham alta 
eficiência e gerem pouca poluição, e que ao mesmo tempo sejam flexíveis quanto ao 
combustível utilizado. 
O grande desafio deste século é o de alcançar a situação denominada 
“Desenvolvimento sustentável” que se baseia em satisfazer as necessidades do 
presente sem comprometer as gerações futuras de satisfazerem as suas próprias 
necessidades. A emergência nas décadas de 80 e 90 para as questões ambientais 
de alcance global, como empobrecimento da camada de ozônio e alterações 
climáticas, chamou atenção para o aumento da taxa e amplitude nas mudanças do 
ambiente forjadas pela expansão da economia global. 
Na busca pela sustentabilidade, os engenheiros devem utilizar técnicas para 
medir e avaliar os sistemas de fornecimento de energia considerando tanto o homem 
como a natureza, os engenheiros devem perceber que a maior parte dos avanços que 
ocorreram no século passado só foi possível devido a utilização de energia disponível, 
como este crescimento foi baseado quase que totalmente no petróleo, à medida que 
esta forma de energia diminui alguns avanços tecnológicos estão fadados a 
desaparecer. 
A energia térmica é um recurso de indispensável presença no cotidiano das 
sociedades, uma vez que esta ressalta sua importância sendo uma energia facilmente 
manuseável e encontrada de forma gratuita e abundante na natureza, desta forma, 
seu uso em construções vem sendo intensificado com o intuído de aumentar a 
capacidade de carga devido a tecnologia, estabelecer economias nas projeções ao 
mesmo tempo em que se possibilita uma relação sustentável da mesma. 
O motor Stirling é um mecanismo de transformação de energia térmica em 
mecânica bem versátil quanto a combustível, pois ele é um motor de combustão 
externa e precisa apenas de uma fonte calor, que pode ser de combustão, energia 
solar concentrada ou fluido quente de algum processo, do ponto de vista ambiental 
ele é bem aceito devido as suas próprias características de funcionamento. 
 
 
 
 
 
 
 
5 
 
 
2 OBJETIVOS 
 
2.1 Objetivo geral 
 
Desenvolver um mecanismo de fácil compreensão, capaz de ser reproduzido 
em outras construções sem necessitar de altos investimentos econômicos, e mostrar a 
versatilidade da energia térmica e o quão útil o estudo e desenvolvimento da mesma 
pode ser dentro da nossa sociedade. 
 
2.1.1 Objetivo especifico 
 
Este trabalho tem como objetivo o projeto e análise de um motor Stirling tipo Alfa 
para fins acadêmicos. 
 
3 Contexto Histórico 
 
Antes da invenção das máquinas à vapor, as indústrias se localizavam em zonas 
rurais e próximas à rios, utilizando assim a energia hidráulica proveniente do 
deslocamento da água como energia motriz para seus processos de produção 
(LARANJEIRAS, 2012). Com o surgimento das máquinas à vapor, essas indústrias 
começaram a se deslocar para a cidade atrás de mão de obra, afinal o deslocamento foi 
facilitado devido à possibilidade da não dependência da energia hidráulica. Com as 
instalações insalubres e totalmente inadequadas quanto às questões humanas, as 
empresas literalmente amontoavam funcionários com péssimas condições de trabalho, 
de alimentação e de segurança, o que começou a revoltar os trabalhadores ali presentes. 
Apesar de representar um grande marco histórico, a Revolução Industrial teve 
alguns problemas crônicos. Devido à falta de tecnologia para desenvolvimento dos 
maquinários, os equipamentos representavam um risco constante. Não era raro de se 
ouvir nas ruas dos subúrbios que uma caldeira tinha explodido e ferido mortalmente 
alguns funcionários, fato que provocou a revolta da população quanto às condições de 
trabalho da época. 
Dentre esse grande problema surgia a motivação que Robert Stirling utilizou para 
desenvolver seu motor: retomar a segurança nas fábricas aplicando como substituição 
à máquina a vapor, uma máquina térmica segura, eficiente e de fácil operação 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 
 
 
4 BIOGRAFIA ROBERT STIRLING 
 
Robert Stirling nasceu em 25 Outubro de 1790 em Gloag, no condado de 
Perthshire, na Escócia, e faleceu a 6 de Junho de 1878 em Galston, cidade localizada a 
cerca de 30 km ao sul de Glasgow. Foi o terceiro filho de uma família de oito, e um brilhante 
aluno tanto na escola como na universidade. Estudou na Universidade de Edimburgo de 
1805-1808 onde teve latim, grego, lógica, Matemática e Direito. Também estudou Teologia 
na Universidade de Glasgow. Casou-se em 10 de Julho de 1819, com Jean Rankin. 
 O casal teve sete filhos. Os seus quatro rapazes tornaram-se engenheiros 
ferroviários (Patrick, William, Robert e James), outro, optou por se tornar um clérigo 
(David). A Figura 1 é uma foto de Robert Stirling (HIRATA, 1995). 
 
 
 
 
 
 
Existem varias métodos de converter energia caloríficaem energia mecânica, um 
desses métodos teoricamente associado com a máxima eficiência é o motor Stirling, ou 
motor a ar quente. Esse motor necessita apenas de uma fonte de calor externa para entrar 
em funcionamento. Máquinas com ciclo termodinâmico de “Stirling” foram concebidas 
antes que a termodinâmica científica tivesse sido criada pelos experimentos de Joule, 
entre 1840 e 1849, de Von Helmholtz, em 1847, e outros. 
Ela foi criada com o nome de “Máquina de Ar Quente”, em 1816 por Robert Stirling 
e conseguia transformar parte do calor gerado, pela queima de um combustível, em 
trabalho representado pela figura 3. 
 
 
 
Figura 1 
7 
 
 
 
 
5 MOTOR STIRLING 
O motor de Stirling foi inventado em 1816 por Robert Stirling com o auxílio de 
seu irmão. Eles buscavam substituir os motores a vapor, que causavam diversos 
acidentes entre os seus funcionários. Esse motor é de combustão externa – a 
combustão ocorre fora do motor – e utiliza como fluido de trabalho somente o ar 
aquecido pela combustão. 
Trata-se de um motor muito simples, pois consiste basicamente em duas 
câmaras com temperaturas diferentes. A dilatação do ar nessas câmaras move um 
pistão (ou êmbolo), gerando trabalho mecânico. Como não há emissões de 
poluentes por parte da substância de trabalho (gases ou o ar atmosférico), os 
motores de Stirling são considerados de ciclo fechado. 
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). 
 
Figura 3 
8 
 
 
Além disso, praticamente qualquer fonte de calor pode ser usada no 
funcionamento desses motores: a chama de uma vela e até mesmo o calor 
transferido pela palma de uma mão. Basta que haja uma diferença significativa entre 
as temperaturas das partes quentes e frias do motor. 
 
6 CICLOS DOS MOTORES STIRLING 
 
Os motores de Stirling funcionam por meio do Ciclo Stirling: um ciclo 
termodinâmico reversível e cíclico que apresenta quatro tempos de funcionamento. 
1. Expansão isotérmica – processo em que o ar presente no motor sofre uma 
expansão aproximadamente isotérmica, absorvendo calor de fontes externas 
(queima de carvão, velas etc.); 
2. Resfriamento isovolumétrico – o ar presente no motor transfere calor para o meio 
externo, mantendo-se a volume constante; 
3. Compressão isotérmica – processo em que o ar contido dentro do cilindro do motor 
é contraído e sua pressão aumenta grandemente, em um processo que ocorre em 
temperatura constante; 
4. Aquecimento isovolumétrico – o último processo ocorre a volume constante e 
envolve transferência de calor da fonte quente para o ar contido dentro do cilindro 
do motor. 
 
 Na figura 4 a seguir, o diagrama P-V (Pressão x Volume) representa o 
funcionamentodo ciclo Stirling: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4 
9 
 
 
7 Vantagens e desvantagens do motor Stirling 
 
7.1 Vantagens dos motores Stirling: 
 
· Causam pouca poluição; 
· São bastante silenciosos e geram pouca vibração; 
· Podem utilizar praticamente qualquer fonte de calor como combustível: gasolina, 
diesel, GLP, energia solar, calor geotérmico etc.; 
· São motores de alto rendimento – sua eficiência 
depende exclusivamente da diferença de temperatura entre suas 
câmaras quente e fria, assim como o Ciclo de Carnot. 
 
7.1.1 Desvantagens dos motores Stirling: 
 
· Por serem pouco populares, seu custo de produção é elevado; 
· O sistema de vedação do gás utilizado nas câmaras é de difícil controle; 
· Mudar a velocidade de rotação desse tipo de motor é um processo complexo. 
 
 
O motor de Stirling utiliza uma fonte de calor externa, como a chama de uma vela, e câmaras preenchidas com um gás a 
diferentes temperaturas 
 
8 TIPOS DE MOTORES 
 
Os motores Stirling podem ser classificadas em três tipos: Alfa, Beta e Gama. O 
motor tipo alfa consiste em dois cilindros independentes com ângulo de fase geralmente 
de 90°, com dois pistões. Um desses cilindros é aquecido e o outro é resfriado utilizando 
um sistema com ar ou água. A Figura 5 mostra o ciclo ideal e o ciclo real em um diagrama 
PV. 
 
 
Figura 5 
10 
 
 
 
 
 
Segundo Corria (2006), o tipo Beta é baseado no motor original feito por Robert 
Stirling. Consiste em um cilindro com zona quente e fria. Possui um deslocador dentro do 
cilindro. O motor tipo Gama é derivado do tipo Beta, porém de construção simplificada. 
Ele consiste em dois cilindros separados. O deslocador é inserido em um dos cilindros e 
o cilindro de potência no outro. 
 
8.1 Motor stirling tipo alfa 
 
O motor do tipo Stirling Alfa, possui um funcionamento diferenciado em relação ao 
Gama e Beta, onde a maioria das pessoas possuem dificuldades para o distinguir. 
 
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 representado pela figura 
6. 
Figura 5: 
11 
 
 
 
 
 
Este segundo modelo Alfa, possui os pistões em posição em um formato de "L", 
onde os pistões trabalham em um ângulo de 90°, ligados a um único ponto no virabrequim, 
representado pela figura 7. 
 
 
 
Este terceiro modelo Alfa, é conhecido por "Motor Stirling Ross Yoke", este é 
considerado uns dos modelos mais eficiente entre todos eles, devido o baixo atrito dos 
pistões sobre os cilindros, representado pela figura 8 
 
Figura 6 
Figura7 
Figura 8 
12 
 
 
8.1.1 Motor 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, representado pela figura 9. 
 
 
 
 
8.1.2 Motor stirling tipo gama 
 
Este está entre o modelo mais conhecido, 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), representado 
pela figura 10.. 
 
Figura 9 
13 
 
 
 
 
 
 
9 PROJETO DO MOTOR 
 
Para a construção do Motor Stirling foi feita uma pesquisa na internet, onde 
encontrou-se diversos modelos interessantes e que utilizavam materiais de fácil acesso. 
Porém o grupo escolheu o modelo de tipo BETA conforme figura abaixo: 
 
 
 Figura 11 
 
A maioria dos materiais utilizados, na construção do Motor Stirling, é de fácil 
acesso, custo reduzido e a maioria pode ser encontrada em casa. Após a obtenção dos 
materiais necessários, deu-se início a construção e montagem do Motor, começando 
pela baseque sustentará o Motor. Esta base foi feita a partir de uma lata de refrigerante, 
Figura 10 
14 
 
 
onde se cortou o fundo e deixou-se 3 apoios. Estes apoios receberam um reforço de 
metal colado com cola Epóxy, pois o alumínio é um material de fácil deformação, fazendo 
com que estes talvez não suportassem o peso do Motor, conforme mostrado a seguir: 
 
 
Figura 13 
 
 
O motor Stirling foi escolhido como tema por se tratar de um motor de combustão 
externa, algo até então pouco explorado pela instituição e demais meios de informação 
e desenvolvimento. Seguindo o raciocínio explorado, apesar de o motor Stirling ter suas 
claras desvantagens em relação aos motores de combustão interna, pode ser aplicado 
de diferentes formas a fim de neutralizar esses pontos negativos. 
Em seguida foi feita a base e o topo do recipiente de pressão, e também a base e 
o topo do displacer (pistão ou deslocador). A base e o topo também foram feitas com 
latas de refrigerantes. Na base foi feito um furo de ¼” por onde entrará o ar que resfriará 
o Motor. Já no topo do recipiente de pressão foi feito um furo localizado bem no centro 
do fundo da lata, por onde passará o pino preso ao deslocador. 
 
15 
 
 
 
Figura 14 
O deslocador pode ser construído de duas formas: 
1-Pegue uma lata que tenha um raio cerca de 2 milímetros menor que a lata 
utilizada na base. O movimento do deslocador dentro da base deve ser suave em sem 
muito atrito. 
2-Pegue uma lata de refrigerante e corte o fundo e o topo. Em seguida, faça um 
corte vertical no cilindro resultante, e cole com a cola quente, de modo a obter um novo 
cilindro com cerca de 95% do tamanho original. 
O topo do deslocador pode ser construído a partir do fundo da lata recortada de 
modo que se ajuste perfeitamente ao novo tamanho do cilindro feito. Faça um furo 
pequeno o suficiente para que a agulha ou pino utilizado possa deslizar suavemente 
sem movimentar-se para os lados (verifique bem isso) e que este esteja exatamente na 
posição vertical. O deslocador abaixo foi o modelo escolhido: 
16 
 
 
 
Figura 15 
Em seguida foram feitas as hastes que serão coladas ao lado da base e que 
sustentaram o eixo(virabrequim) que interligará o deslocador ao cilindro responsável pelo 
resfriamento. As hastes são também de fácil construção podendo ser utilizado as laterais 
de latas de refrigerante ou mesmo algum outro tipo de material que seja de fácil 
manuseio. Faz-se um furo em cada haste, por onde passará o virabrequim, e uma das 
hastes faz-se um outro furo, na parte de baixo, por onde entrará o ar que resfriará o 
Motor. Com o auxílio da cola de silicone, cola-se a haste junto à base. 
 
 
Figura 15 
17 
 
 
O virabrequim foi feito utilizando um pedaço de fio de arame de 1.0 mm, 
facilmente encontrado em loja de materiais de construção. O modelo utilizado foi o 
seguinte: 
 
Figura 16 
É importante ressaltar que no local indicado pela seta deva ter um ângulo de 90º 
formado em relação ao deslocador e ao cilindro de resfriamento. 
Para o cilindro de resfriamento foi utilizado um pedaço de cano de PVC. Nele foi 
feito um furo de aproximadamente ¼”, por onde passa um tubo de metal, obtido a partir 
de uma caneta. Este tubo foi colocado ao lado da base do recipiente de pressão e 
colado com a cola de silicone para alta temperatura. No topo desse cilindro foi colocado 
uma bexiga que atuará como diafragma. A bexiga será conectada junto ao virabrequim 
da seguinte forma: 
 
 
Figura 17 
 
 
 
 
 
 
 
 
18 
 
 
A seguir segue a foto do resfriador montado, juntamente com o pedaço de fio 
preso a bexiga: 
 
Figura 18 
Para que o CD utilizado na montagem pudesse girar juntamente com o 
virabrequim, colou-se um pedaço de um tubo de borracha dura no furo central, 
conforme mostrado abaixo: 
 
 Figura 19 
 
 
 
19 
 
 
Com a construção das partes separadas do Motor, iniciou-se o processo de 
montagem do Motor Stirling. 
O deslocador foi colocado dentro da base do recipiente de pressão e em seguida 
tampou-se com o topo do recipiente, de modo que o pino preso ao deslocador passasse 
suavemente pelo buraco feito no topo do recipiente. Após isso, pegou-se a porca de ¼” 
de diâmetro interno e um pedaço de metal (com um furo no centro) e com o auxílio da 
cola de silicone para alta temperatura colou-se a porca em cima do topo, e o pedaço de 
metal em cima da porca. Sempre verificando se o pino do deslocador desliza suavemente 
por entre os dois. 
A seguir, após colar o cilindro de resfriamento ao lado da base do recipiente de 
pressão e conectá-lo ao virabrequim conforme mostrado na figura 17, faz-se o mesmo 
para o deslocador, da seguinte forma: 
 
Figura 20 
A construção dessa parte do projeto requer um cuidado extra, pois a amplitude do 
U formado no virabrequim não pode ser maior que a amplitude de altura do pino do 
deslocador. Pois caso isso aconteça o virabrequim não dará uma volta completa e o 
motor não funcionará. 
Após ser feita a montagem, o resultado do motor foi o seguinte: 
 
20 
 
 
 
Figura 21 
 
10 LISTA DE MATERIAIS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
21 
 
 
11 CONCLUSÃO 
 
O motor Stirling foi escolhido como tema por se tratar de um motor de combustão 
externa, algo até então pouco explorado pela instituição e demais meios de informação 
e desenvolvimento. Seguindo o raciocínio explorado, apesar de o motor Stirling ter suas 
claras desvantagens em relação aos motores de combustão interna, pode ser aplicado 
de diferentes formas a fim de neutralizar esses pontos negativos. 
 A utilização do motor Stirling nos veículos atuais não se mostra viável como única 
forma de fornecimento de energia para o automóvel, ou seja, como motor primário. 
Entretanto, como motor auxiliar em veículos híbridos HEV série (Veiculo Elétrico Hibrido) 
onde tal configuração possui motor elétrico como forma primária de potência para o 
veículo e um motor gerador de eletricidade, a qualidade de “não-viável” do motor pode 
ser trabalhada de forma que sua aplicação gere bons resultados. 
Além disso, as qualidades ou características do motor Stirling são observadas 
cada vez mais de perto por desenvolvedores que acabam o aplicando em seus projetos. 
Apesar das suas desvantagens, é nítido que a indústria vem desenvolvendo melhorias 
para esse motor que possui características ótimas para ser utilizado em diversas 
aplicações. Dessa forma, é correto afirmar que, caso investimentos em larga escala 
forem aplicados em pesquisas e melhorias, sua utilização pode se tornar viável e a curto 
ou médio prazo pode-se iniciar uma aplicação em série nos veículos produzidos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
22 
 
 
12 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFIA 
 
MOTOR STIRLING. Disponível em: 
<https://mundoeducacao.uol.com.br/fisica/motor-stirling.htm>. Acesso em: 20 de 
Fevereiro de 2021. 
BIOGRAFIA DE ROBERT STIRLING. Disponível em: 
< https://motoresstirling.wordpress.com/2015/08/12/biografia-de-robert-stirling/ >. 
Acesso em: 26 de Fevereiro de 2021. 
 
CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES. Disponível em: 
< https://sites.google.com/site/motordestirling/motor-de-stirling/classificacao-dos-
motores > Acesso em: 01 de Março de 2021. 
 
TIPO DE MOTORES. Disponível em: 
< https://manualdomotorstirling.blogspot.com/2013/12/os-tipos-de-motores-stirling-e-
suas.html>. Acesso em: 25 de Março de 2021.